Για πρώτη φορά δημιουργείται μεταλλικό υδρογόνο. Metallic hydrogen, once theory, becomes reality

Θεωρείται ένα από τα «ιερά δισκοπότηρα» της επιστήμης. Image of diamond anvils compressing molecular hydrogen. At higher pressure the sample converts to atomic hydrogen, as shown on the right. Credit: R. Dias and I.F. Silvera

Περίπου 80 χρόνια μετά τη θεωρητική πρόβλεψή του το 1935, επιστήμονες του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ των ΗΠΑ κατάφεραν επιτέλους -εν είδει σύγχρονων αλχημιστών- να κάνουν πραγματικότητα τη δημιουργία μεταλλικού υδρογόνου.

Εφόσον όντως αυτό συνέβη (μερικοί φυσικοί αμφιβάλλουν σοβαρά), θα πρόκειται για ένα από τα πιο πολύτιμα νέα υλικά στον πλανήτη μας με δυνητικές εξωτικές ιδιότητες και ποικίλες χρήσιμες εφαρμογές, ιδίως χάρη στην υπεραγωγιμότητα του ηλεκτρισμού, δηλαδή στη δυνατότητα μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς αντίσταση.

Το επίτευγμα

Φωτογραφίες του υδρογόνου στα διάφορα στάδια της συμπίεσής του. Photos of compressed hydrogen transitioning with increasing pressure from transparent molecular to black molecular to atomic metallic hydrogen. The sketches below show a molecular solid being compressed and then dissociated to atomic hydrogen. Credit: R. Dias and I.F. Silvera

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικών επιστημών Άϊζαακ Σιλβέρα ανέφεραν ότι χρειάζονται περαιτέρω έρευνες, καθώς δεν είναι βέβαιοι αν το μεταλλικό υδρογόνο τους είναι στερεό ή υγρό, αν και κλίνουν υπέρ της στερεάς εκδοχής.

«Πρόκειται για το ιερό δισκοπότηρο της φυσικής υψηλής πιέσεων. Είναι το πρώτο δείγμα μεταλλικού υδρογόνου πάνω στη Γη, έτσι όταν το κοιτά κανείς, βλέπει κάτι που δεν έχει υπάρξει ποτέ πριν», δήλωσε ο ίδιος.

Το υδρογόνο είναι ένα άχρωμο αέριο, που υπό ειδικές συνθήκες μπορεί να μετατραπεί σε μέταλλο. Το μεταλλικό υδρογόνο σε υγρή μορφή αποτελεί βασικό συστατικό των γιγάντιων πλανητών Δία και Κρόνου. Για να το δημιουργήσουν στη Γη, οι ερευνητές συμπίεσαν ένα μικροσκοπικό δείγμα υδρογόνου, ασκώντας πάνω του -με τη βοήθεια συνθετικών διαμαντιών- τεράστιες πιέσεις της τάξης των 495 γιγαπασκάλ, πολύ μεγαλύτερες από αυτές που ασκούνται στο κέντρο του πλανήτη μας. Σε τόσο ακραίες συνθήκες πίεσης, το στερεό μοριακό υδρογόνο διασπάται και τα μόριά του αποσυντίθενται σε ατομικό υδρογόνο, το οποίο είναι μέταλλο. Ακόμη και όταν η υψηλή πίεση σταματά, το ατομικό υδρογόνο παραμένει μεταλλικό (είναι δηλαδή μετα-σταθερό). Το επίτευγμα δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».

Τα ερωτήματα

Nearly a century after it was theorized, Harvard scientists have succeeded in creating metallic hydrogen. In addition to helping scientists answer fundamental questions about the nature of matter, the material is theorized to have a wide range of applications, ranging from room-temperature superconductors to powerful rocket propellant. Directed and edited by Ned Brown, cinematography by Kai-Jae Wang/Harvard Staff.

Το επίτευγμα θα βοηθήσει τους επιστήμονες να απαντήσουν θεμελιώδη ερωτήματα για τη φύση της ύλης. Αλλά επίσης θα ανοίξει το δρόμο για μια σειρά από πρακτικές επαναστατικές εφαρμογές, όπως οι υπεραγωγοί ηλεκτρισμού σε συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου. Κάτι τέτοιο θα μεταμορφώσει τις μεταφορές, την παραγωγή και αποθήκευση ενέργειας, τη διαστημική εξερεύνηση κ.α.

«Χρειάζεται τρομερή ποσότητα ενέργειας για να δημιουργηθεί το μεταλλικό υδρογόνο. Και αν μετατραπεί ξανά σε μοριακό υδρογόνο, τότε όλη αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται, δημιουργώντας το πιο ισχυρό πυραυλικό καύσιμο που είναι γνωστό στον άνθρωπο, φέρνοντας έτσι επανάσταση στην πυραυλική τεχνολογία», δήλωσε ο Σιλβέρα. Αυτό, μεταξύ άλλων, θα διευκολύνει την εξερεύνηση άλλων μακρινών πλανητών.

Όμως στο παρελθόν κατά καιρούς είχαν γίνει ξανά ανακοινώσεις περί δημιουργίας μεταλλικού υδρογόνου, για να διαψευσθούν αργότερα. Και αυτή τη φορά, ουκ ολίγοι φυσικοί σε διάφορες χώρες (ΗΠΑ, Βρετανία, Γαλλία) δήλωσαν πως δεν έχουν καθόλου πειστεί ότι όντως δημιουργήθηκε μεταλλικό υδρογόνο και επιφυλάσσονται μέχρι γίνουν περισσότερα πειράματα.

Πηγή: "Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen," Science, science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aal1579, http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=859363