انتشار این مقاله


هیدروژن فلزی؛ از ایده تا تولد

دو تن از فیزیک‌دانان دانشگاه هاروارد برای اولین بار در دنیا موفق به ساخت نسخه‌ای فلزی از عنصر هیدروژن شده‌اند. اولین بار در سال ۱۹۳۵، یوجین وگنر (Eugene Wagner) و هیلارد بل (Hillard Bell)، فیزیک‌دانانی از دانشگاه پرینستون (Princeton University)، هیدروژن فلزی (Metallic Hydrogen) را “جام مقدس فیزیک فشاربالا” توصیف نمودند. مطالعات نظری [که تا […]

دو تن از فیزیک‌دانان دانشگاه هاروارد برای اولین بار در دنیا موفق به ساخت نسخه‌ای فلزی از عنصر هیدروژن شده‌اند.

اولین بار در سال ۱۹۳۵، یوجین وگنر (Eugene Wagner) و هیلارد بل (Hillard Bell)، فیزیک‌دانانی از دانشگاه پرینستون (Princeton University)، هیدروژن فلزی (Metallic Hydrogen) را “جام مقدس فیزیک فشاربالا” توصیف نمودند. مطالعات نظری [که تا کنون] در این زمینه صورت گرفته است، طیف گسترده‌ای از خصوصیات را به این ماده نسبت داده است؛ از ابررسانایی دمای بالا (High Temperature Superconductivity) گرفته تا ابرسیالیت (Superfluidity، در صورتی که در فرم مایع باشد).

تصویر هیدروژن فلزی در فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال؛ تصویر در نوع بازتاب‌یافته ثبت شده است، منطقۀ مرکزی به صورت کاملاً بارز نسبت به حلقۀ رنیمی (Rhenium) پیرامون آن صیقلی‌تر است. ابعاد نمونه حدوداً ۸ تا ۱۰ و ضخامت آن نیز ۱/۲ میکرون است. امتیاز تصویر: Ranga P. Dias & Isaac F. Silvera, doi: 10.1126/science.aal1579.

جهت دست‌یابی به این عنصر [افسانه‌ای]، دکتر رنگا دیاس (Ranga Dias) و پروفسور آیزاک سیلورا (Isaac Silvera) از دانشگاه هاروارد (Harvard University)، نمونۀ کوچکی از هیدروژن را در فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال (GPa) فشرده نمودند؛ رقم بزرگی که از فشار موجود در مرکز زمین بالاتر است. نتایج این مطالعه در ژورنال Science (با IF: ۳۴/۶۶۱) منتشر شده است.

در چنین فشارهای بی‌نهایت [بالایی]، هیدروژن مولکولی جامد – که دارای ساختار مولکولی شبکه‌مانند است –  شکسته شده و پیوند‌های قوی بین‌مولکولی از هم جدا می‌شود تا در نهایت هیدروژن اتمی – که یک فلز است – تولد یابد.

محققان در این باره توضیح می‌دهند:

ما هیدروژن مولکولی جامد را تحت فشار و در دماهای بالا مطالعه نموده‌ایم. هیدروژن تحت فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال ساختار فلزی پیدا می‌کند که بازتاب‌پذیری آن به ۰/۹۱ نیز می‌رسد. با استفاده از مدل الکترون آزاد دروده (Drude model) به نوسان پلاسمای ۲/۱ ± ۳۲/۵ eV در T = ۵/۵ K – با چگالی حامل الکترون برابر با ۱۰۲۳ × ۱/۱ ± ۷/۷ ذره بر سانتی‌متر مکعب – دست یافتیم؛ که با برآوردهای نظری چگالی اتمی [آن] هم‌خوانی دارد. این خصوصیات مشابه خصوصیات یک فلز اتمی می‌باشد.

محققان برای ساخت این ماده از سخت‌ترین ترکیب موجود بر روی زمین – الماس – بهره بردند. ولی به جای استفاده از الماس طبیعی، از دو قطعه الماس سنتتیک صیقل‌خورده استفاده شد؛ که پس از طی مراحلی جهت افزایش سختی آن، در نهایت این دو قطعه روی دستگاهی به نام سلول سندانی الماس (Diamond Anvill Cell) – در مقابل یک‌دیگر – سوار شدند.

پروفسور سیلورا دنبالۀ صحبت‌های پیشین را می‌گیرد:

واقعاً هیجان‌انگیز بود. رنگا در حال اجرای آزمایش بود، فکر می‌کردیم که ممکن است به نتیجه برسیم؛ ولی موقعی که با من تماس گرفت و گفت “نمونه می‌درخشد” سریعا خود را به آن‌جا رساندم و دیدم که [نمونه] هیدروژن فلزی است. سریعاً گفتم که باید با انجام اقدامات [لازم] آن را تأیید کنیم، بنابراین آزمایشگاه را بازآرایی نمودیم، و این کاری است که ما انجام دادیم. این دستاورد شگفت‌انگیزی است، حتی اگر در این سلول سندانی و تحت دمای بالا وجود داشته باشد؛ باز هم یک یافتۀ شدیداً اساسی است. یکی از پیش‌بینی‌های مهم صورت گرفته در این زمینه، نیمه‌پایدار بودن هیدروژن فلزی است. بدین معنی که اگر فشار از روی آن برداشته شود، هم‌چنان ساختار فلزی خود را حفظ خواهد نمود؛ مشابه الماس که در دما و فشار بسیار بالا از گرافیت ساخته می‌شود، ولی در صورت حذف آن فشار و گرما باز هم الماس باقی می‌ماند. هیدروژن فلزی تأثیر عمیقی بر فیزیک خواهد داشت و احتمالاً کاربردهای مخصوص خود در عرصۀ فناوری را پیدا خواهد کرد. چالش دیگری که بر سر راه است، فرونشاندن دمای این ماده و بررسی پایداری دمایی آن و در نهایت پیدا کردن روشی برای تولید هیدروژن فلزی در مقادیر انبوه می‌باشد.

میلاد شیرولیلو


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *