Το όνειρο της μετατροπής του υδρογόνου σε μέταλλο

Το όνειρο της μετατροπής του υδρογόνου σε μέταλλο
Η ιδέα ότι το υδρογόνο μπορεί να μετατραπεί σε στερεό μέταλλο διατυπώθηκε τη δεκαετία του 1930, παραμένει όμως ανεπιβεβαίωτη μέχρι και σήμερα. Τώρα, όμως, οι επιστήμονες δείχνουν να έχουν έρθει ένα βήμα πιο κοντά. Και μια ενδεχόμενη επιτυχία τους θα είχε μεγάλη σημασία για την τεχνολογία: το μεταλλικό υδρογόνο ίσως είναι το μόνο υλικό που συμπεριφέρεται ως υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου.

Το υδρογόνο, η ελαφρύτερη και πιο άφθονη ουσία στο Σύμπαν, απαντάται σε κανονικές συνθήκες στη μοριακή του μορφή, αποτελούμενη από δύο ενωμένα άτομα (H2).

Σύμφωνα με μια υπόθεση που διατυπώθηκε το 1935, σε συνθήκες ακραίας πίεσης τα μόρια υδρογόνου διασπώνται σε ατομικό υδρογόνο, με τα ηλεκτρόνια των ατόμων να κινούνται ελεύθερα σε όλο τον όγκο του υλικού.

Το υδρογόνο θα αποκτούσε έτσι την κρυσταλλική δομή που έχουν συνήθως τα μέταλλα -τα άτομά τους διατεταγμένα σε πολύ συγκεκριμένες θέσεις, σχηματίζοντας για παράδειγμα πεντάγωνα ή εξάγωνα. Τα ηλεκτρόνια διέρχονται ελεύθερα μέσα από την κρυσταλλική δομή, χαρίζοντας στα μεταλλικά υλικά άριστη ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Τη δεκαετία του 1930, όταν δεν υπήρχε ακόμα η τεχνολογία για τη δοκιμή της θεωρίας στην πράξη, οι φυσικοί υπολόγιζαν ότι το μεταλλικό υδρογόνο εμφανίζεται σε συνθήκες πίεσης άνω των 25 GPa ή περίπου 247 ατμόσφαιρες.

Σήμερα, οι επιστήμονες έχουν πετύχει στο εργαστήριο πιέσεις μέχρι και 388 GPa -πιέσεις που απαντώνται μόνο στους πυρήνες μεγάλων πλανητών- αλλά το μεταλλικό υδρογόνο παραμένει άφαντο.

Τουλάχιστον, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να μετατρέψουν το αέριο υδρογόνο σε στερεό, αναφέρει το περιοδικό Chemistry World της βρετανικής Βασιλικής Εταιρείας Χημείας.

Σε πίεση γύρω στα 180 GPa και σε θερμοκρασία δωματίου, το μοριακό υδρογόνο κρυσταλλώνεται σε μια στερεά μορφή που ονομάζεται Φάση Ι. Πάνω από τα 180 GPa εμφανίζεται η Φάση ΙΙΙ με ομοιοπολικούς δεσμούς, ενώ στα 230 GPa σχηματίζεται η παρόμοια Φάση ΙV.

Όλες αυτές οι φάσεις όμως αποτελούνται από μόρια αντί από άτομα υδρογόνου και δεν είναι μεταλλικά υλικά.

Μια δυνητικά σημαντική εξέλιξη ήρθε φέτος τον Ιανουάριο, όταν ερευνητές του Ινστιτούτου Χημείας Max Planck στη Γερμανία ανακοίνωσαν ότι μια πέμπτη, εν μέρει ατομική, φάση του υδρογόνου εμφανίζεται σε πίεση 270 GPa, ενώ πέρα από τα 360 GPa δημιουργείται μια έκτη φάση, η οποία δεν αποκλείεται να είναι μεταλλική.

Είναι ωστόσο δύσκολο να επιβεβαιώσει κανείς τον ισχυρισμό. Σχεδόν όλες οι ερευνητικές ομάδες ασκούν πίεση στο υδρογόνο χρησιμοποιώντας «διαμαντένια αμόνια»: ζευγάρια διαμαντιών που πιέζουν το δείγμα ανάμεσά τους όλο και περισσότερο.

Σε συνθήκες ακραίας πίεσης, το δείγμα συρρικνώνεται σε μικροσκοπικές διαστάσεις, κάτι που δυσχεραίνει την εξέτασή τους. Οι ιδιότητες του υλικού προσδιορίζονται κανονικά με φασματοσκοπικές μεθόδους που βομβαρδίζουν το δείγμα με λέιζερ.

Όταν όμως το δείγμα είναι μικρό, τα διαμάντια αναπόφευκτα απορροφούν ένα μέρος της ακτινοβολίας λέιζερ, κάτι που αφενός επηρεάζει τις μετρήσεις, αφενός μπορεί να οδηγήσει στη θραύση των διαμαντιών.

Μόνο ο χρόνος θα δείξει αν ο ισχυρισμός των γερμανών ερευνητών θα αποδειχθεί ορθός.

Υπάρχει πάντως και η πιθανότητα το μεταλλικό υδρογόνο να μην είναι στερεό αλλά «υπερρευστό» -μια παράξενη κατάσταση της ύλης με μηδενικές τριβές.

Όπως σχολιάζει ο Γιουτζίν Γρεγκόριανς του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, ο οποίος έχει δημιουργήσει στο εργαστήριό του την ημι-ατομική Φάση V, «όλοι οι υπεραγωγοί που γνωρίζουμε είναι στερεοί, ενώ όλα τα υπερρευστά είναι μονωτές».

«Αυτή η μορφή υγρού υδρογόνου θα ήταν υπεραγωγός και υπερρευστό ταυτόχρονα -δεν θα έμοιαζε με τίποτα που έχουμε παρατηρήσει ως σήμερα».

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης