Hidrogenul a fost transformat în metal, un act uimitor de alchimie

Hidrogenul a fost transformat în metal – alchimie curată

După mai mult de 80 de ani după ce a fost prezis, fizicienii în sfârșit au creat hidrogenul metalic – o formă misterioasă de hidrogen, care ar putea fi capabil să supra-conducă energia fără rezistenţă la temperatura camerei.

Oamenii de știință de mult timp suspectează că hidrogenul ar putea exista ca metal în anumite părți ale Universului, dar aceasta este pentru prima dată când hidrogenul metalic a fost creat pe Pământ, iar materialul se pare că este mult mai ciudat şi fascinant decât îşi închipuiau oamenii de ştiinţă.

“Acesta este Sfântul Graal al fizicii de înaltă presiune”, spune principalul cercetător al studiului de la Universitatea Harvard (en), Isaac F. Silvera.

“Este primul exemplar de pe Pământ, astfel încât, atunci când te uiți la el, privești ceva ce nu a mai existat până acum”.

În linii mari, Tabelul Periodic poate fi împărțit în două categorii mari, metale şi nemetale.

Vedeţi şi: Oamenii de ştiinţă au creat primul metal hidrofug (care respinge apa)

Pe lângă multe alte proprietăți, metalele sunt lucitoare (strălucitoare), bune conductoare şi, de obicei, solide la temperatura camerei, în timp ce nemetalele au un aspect opac şi sunt răi conductori de electricitate.

Aşa, cum majoritatea din noi au învățat la liceu, hidrogenul este primul element din Tabelul Periodic şi este un nemetal.

Dar, încă anul 1935 (en), cercetătorii au prezis că, în anumite condiții acest element chimic obișnuit şi atât de des studiat, poate avea atomii săi atât de strânși legați, încât el ar fi capabil nu doar de a dobândi proprietăți metalice, dar de fapt, ar  putea deveni un metal.

Dar, aceste condiții nu sunt atât de ușor de realizat – ele implică atingerea unei presiuni incredibil de ridicate la temperaturi extrem de scăzute, motivele din care, în ciuda numeroaselor încercări (en), timp de mai mult de 80 de ani nimeni nu a fost în stare să dovedească acest fapt, până astăzi.

“Partea cea mia interesantă este că, noi am supus gazul de hidrogen unei presiuni suficient de mari pentru al transforma în metal”, a spus Silvera.

Timp de 45 de ani, Silvera încearcă să obțină hidrogenul metalic.

“Hidrogenul a trecut din transparent în netransparent, după în negru, pentru ca apoi să devie dintr-o dată lucios” explică el.

“Noi, de fapt, am urmărit cum acesta a devenit metal”.

Mai jos, puteţi vedea acest material, în premieră pe Pământ:

Acest lucru este cu adevărat captivant, nu numai pentru că constituie o dovadă a unui concept din lumea fizicii – deși cu siguranță este.

Hidrogenul metalic a fost o sursă de multe speculații de-a lungul anilor, deoarece, i s-au prezis unele proprietăți incredibile.

Cea mai importantă fiind aceea, care presupune că hidrogenul metalic ar putea fi un supraconductor la temperatura camerei, altfel spus, materialul ar putea conduce electricitatea cu o rezistentă egală cu zero, fără a fi nevoie de temperaturi enorm de scăzute.

Vedeţi şi: Supraconductibilitatea grafenului a fost deşteptată

Noi deja știm multe materiale supraconductoare – pe care le folosim pentru a creea câmpuri magnetice puternice în aparatele RMN (Rezonanța magnetică nucleară) şi trenurile Maglev – dar acestea sunt capabile să atingă supraconductibilitatea la temperaturi sub -269 de grade Celsius, ceea ce le face costisitoare şi nepractice.

Dacă oamenii de știință ar fi capabili să atingă aceeași supraconductibilitatea la temperatura camerei, aceasta ar fi grandios, deoarece am putea crea aşa lucruri precum, linii de înaltă tensiune dintre centrala electrică şi casa noastră care nu vor pierde nici un watt de energie.

La moment, datorită rezistenței grila electrică pierde 15 la sută din energia sa (en) sub formă de căldură.

De asemenea, materialul ar putea fi cel mai eficient combustibil descoperit vreodată (en) pentru propulsarea rachetelor, a cărui energie stocată este capabilă să ne lanseze spre lumi îndepărtate (en).

Necesită de precizat, hidrogenul metalic creat de Silvera şi echipa sa, este doar în jur 1,5 microni în grosime şi 10 microni în diametru, deci este foarte mic.

Şi până examinarea prealabilă a lucrării va confirma că exemplarul lor este anume ceea ce se pretinde, ei au ezitat să facă prea multe teste pe el, deci, deocamdată noi nu avem nici o dovadă ce sugerează că materialul este un superconductor.

Asta este ceea ce se va investiga în lunile ce urmează.

Dar, la moment, noi știm că exemplarul este real şi acest fapt a fost stabilit în laboratorul lui Silvera încă din octombrie.

Cercetătorii au afirmat că ei au creat etapele timpurii ale ale hidrogenului metalic în trecut – şi chiar au pretins existenţa de probe a însăși hidrogenului metalic (en).

Dar, aceste rapoarte nu au fost verificate.

Această ultimă afirmație ar putea supusă multor critici, dar până în prezent exemplarul a rezistat tuturor testelor.

Pentru a crea exemplarul, echipa a prins gazul de hidrogenul într-o cutie mică de diamant, răcită până la o temperatură de 5,5 kelvini (-267,65 de grade Celsius), care a fost apoi pusă sub o presiune incredibil de ridicată.

Iar când spunem presiune ridicată se are în vederea presiune foarte ridicată.

În 1935, a fost prezis că hidrogenul metalic va apărea la o presiune de 25 de gigapascali (GPa).

Dar, Silvera şi echipa sa, în cele din urmă, au realizat o presiune între 465 şi 495 de Gpa – una de aproape 20 de ori mai mare decât s-a prezis inițial.

Doar pentru a vă imagina această forţă imensă, 1GPa este egal cu 1 milion de kilopascali (KPa), iar presiunea medie la nivelul mării este egală cu 101,325 KPa.

În scurt timp echipa a observat schimbări a aspectului său, dar pentru a verifica dacă ceea ce s-a creat a fost hidrogen metalic,  ei au utilizat măsurători spectroscopice, precum şi măsurări a reflexiei sale şi ele au arătat că ceea ce a fost inițial un gaz de hidrogen (H2) s-a transformat într-um metal atomic.

Puteți vedea structura atomică diferită mai jos:

Acum, când știm că hidrogenul metalic există, rămân multe întrebări care necesită răspunsuri.

Cea mai mare dintre acestea constă în aceea dacă este sau nu hidrogenul metalic lichid sau gaz – după cum au prezis cercetătorii, el ar putea fi cât una, cât şi alta.

Deocamdată, Silvera şi echipa sa cred că ceea ce au creat ei este solid, dar ei vor efectua unele analize mai detailate ale materialului, acum cât acesta a fost verificat (ceva cu ce ei nu sunt dispuși să riște, până la momentul în care vor distruge accidental exemplarul fragil).

Ei, de asemenea, vor conecta metalul la curent electric, pentru a testa dacă el este într-adevăr un supraconductor la temperatura camerei, ceva ce este posibil, indiferent de faptul dacă este lichid sau solid.

“Va fi o provocare, dar vom încerca”, spune Silvera.

Cât de straniu nu ar părea, dar Silvera afirmă că hidrogenul metalic ar putea fi un metastabil – ceea ce înseamnă că chiar dacă el va fi eliberat de sub presiune el va rămâne metalic.

Un exemplu de material metastabil este diamantul, care este o formă metastabilă a carbonului.

Pentru a face un diamant, trebuie să supuneți grafitul unei presiuni şi călduri imense – ceva ce se întâmplă în mod natural la adâncimi mari sub pământ.

Dar, chiar dacă scoateți diamantele la sol, acestea rămân diamante.

Acelaş lucru poate fi valabil şi pentru hidrogenul metalic, aceasta, de asemenea, este un lucru ce va fi testat, odată ce se vor efectua toate analizele posibile pe exemplar în starea lui actuală, doar că în cazul dacă predicțiile sunt greșite, materialul se va risipi înapoi într-un gaz, atunci când presiunea va fi ridicată.

“Noi planificăm să lucrăm cu acest exemplar o perioadă de timp, iar apoi vom slăbi presiunea şi vom vedea dacă exemplarul va continua să fie hidrogen metalic”, spune Silvera. “Şi apoi vom încărca altă probă”.

Rămân multe lucruri interesante pe viitor şi multe alte descoperiri noi urmează să fie făcute.

Dar, astăzi, tocmai s-a demonstrat că cele mai obișnuite elemente a Universului pot exista într-o formă complet nouă (en) şi aceasta este un prilej suficient pentru a fi celebrat.

Totuşi, o parte lumii ştiinţifice au multe dubii ce priveşte descoperirea dată (en), în realitate hidrogenul metalic încă nu a fost prezentat, el rămâne sub presiune în menghina din laborator, sub pretextul efectuării unor teste suplimentare.

Cinci experți diferiţi au declarat reporterilor de la noutăţile Nature că ei nu cred afirmaţiilor lui Silva şi a echipei sale şi presupun că ele s-ar putea baza pe o eroare.

Deci, descoperirea încă lasă multe întrebări, care sperăm că vor fi elucidate în scurt timp.

Cercetarea a fost publicată în Science.