فناوری

“فشار”ها در راه ایجاد هیدروژن فلزی!/بخش اول

هیدروژن فلزی ابر رسانا علمنا
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

تیم های تحقیقاتی رقیب زیادی در دنیا در تلاش هستند که بتوانند هیدروژن یا هر گازدیگری را تبدیل به فلز کنند. این کار پرمخاطره و هیجان انگیز می تواند جرقه ای باشد برای این رویای بشر در پی داشتن ماده ای که پیشرفت های تکنولوژیکی زیادی در صنعت الکترونیک ایجاد می کند.
در آزمایشگاه های تخصصی، دانشمندان با استفاده از پالس های قدرتمند الکتریکی ماده را بمباران کرده و با لیزرهای پیچیده آنرا در هم می کوبند. در آزمایشگاه های دیگر، دانه های سنگین و محکم الماس را آن قدر بهم فشرده می کنند تا آنها را بشکافند. همه اینها در جهت تولید یک فلز ارزشمند می باشد، که از جنس طلا و نقره و پلاتین هم نیست!
یوجین گریگوریانز، فیزیکدان دانشگاه ادینبرگ، در این باره می گوید: «همه ما از مزایایی که با رسیدن به این ماده می توانیم به دست آوریم، آگاه هستیم و رسیدن به آن می تواند حسادت برانگیز باشد.» او بیش از یک دهه در جستجوی هیدروژن فلزی بوده است.
دانشمندان ادعا می کنند که هیدروژن فلزی در حالت جامد، می تواند مثل یک ابررسانا باشد. ابررساناها موادی هستند که الکترون ها در آنها می توانند بدون از دست دادن انرژی جریان پیدا کنند. تمام ابررساناهای شناخته شده در دمای بسیار پایین عمل می کنند که یک اشکال بزرگ برای آنها محسوب می شود. فیزیکدانان نظری گمان می کنند که هیدروژن های فلزی می توانند در دمای اتاق هم عمل کنند. ابررسانایی که در دمای اتاق عمل می کند، می تواند یکی از اهداف مهم در فیزیک باشد، چرا که می تواند باعث صرفه جویی زیادی در انرژِی شده و پیشرفت های گسترده در انتقال و ذخیره انرژی ایجاد کند.
همچنین هیدروژن فلزی می تواند به دانشمندان کمک کند تا منظومه ی شمسی ما را بهتر بشناسند؛ زیرا که هیدروژن متراکم در فشار و دمای بالا تبدیل به مایع فلزی می شود و تصور می شود که این حالت در کمین لایه های پایینی ابرهای سیارات گازی مانند زحل و مشتری است. شناختن ویژگی های هیدروژن در فشار و دمای بالا می تواند معمای غول های گازی را نیز حل کند.
محققان توانسته اند هیدروژن فلزی را به طور اتفاقی و کوتاه در آزمایشگاه ببینند اما هنوز سوال ها در مورد ماهیت واقعی این ماده پابرجاست. در حالی که هنوز هیچ آزمایشگاهی نتوانسته است هیدروژن فلزی جامد را در آزمایشگاه تولید کند اما تلاش های دانشمندان در حال نزدیک شدن به شناخت ساختار پیچیده این عنصر و همچنین فعالیت های درونی مواد جامد پیچیده ای از این دست می باشد.
اما به همین سادگی ها نیست!
هیدروژن اولین عنصر در جدول تناوبی بوده و رایج ترین عنصر جهان می باشد. بنابراین ساختار آن باید به آسانی قابل درک باشد زیرا که یک الکترون با یک پروتون در آن جفت شده است.
فیزیکدان نظری دانشگاه کرنل، نیل آ. می پرسد: «اما چه چیزی می تواند ساده تر از جمعی از پروتونها و الکترونها باشد؟»
در فشار بالا، ساختار فیزیکی هیدروژن به سرعت پیچیده می شود. در دمای اتاق و فشار جو هیدروژن یک گاز است، اما همانند دیگر مواد، تغییر شرایط می تواند باعث تبدیل شدن آن به شکل های دیگری از ماده مثل جامد یا مایع شود. در درجه حرارت به اندازه کافی کم یا فشرده شدن زیاد، هیدروژن گازی به هیدروژن جامد تغییر  شکل میدهد. اگر در هنگام فشرده شدن، حرارت هم ببیند به مایع تبدیل می شود.
اگر هیدروژن در معرض شرایط شدید تری نسبت به شرایط گفته شده در بالا قرار بگیرد، از نظر تئوری، می تواند به فلز تبدیل شود. همه ی فلزات در یک ویژگی با هم اشتراک دارند و آن هم رسانایی الکتریکی می باشد که از طریق الکترون های آزاد در آنها اتفاق می افتد.
به گفته ی نیل .آ، فشردن هرماده ای به شدت و زیاد، می تواند آن را تبدیل به فلز کند زیرا که فشار باعث می شود الکترون های بیرونی از جای خود کنده شوند.
دانشمندان به دنبال آن هستند که از هیدروژن یک سوپ غلیظ از الکترون های شناور در حال گردش درست کنند، چه در حالت مایع باشد یا جامد!
وقتی که هیدروژن متراکم می شود، اتم های هیدروژن شروع به اندرکنش با هم می کنند تا اینکه به صورت مولکول های جفت شده از دو هیدروژن در بیایند. پیچیدگی ساختار هیدروژن،‌ دانشمندان را مجذوب خود کرده است و درک پیچیدگی آن می تواند به دانشمندان کمک کند تا درک خود را از فیزیک مواد اصلاح کنند.

هیدروژن علمنا

اشکال عجیب هیدروژن

در شرایط عادی، در منطقه ای که آنقدر کوچک است که در تصویر مشاهده نمی شود، هیدروژن به حالت گاز است؛ در دمای بسیار بالا تبدیل به مایع می شود و در فشار بسیار زیاد، تبدیل به جامدی می شود که در یکی از چندین فاز وجود دارد. دانشمندان انتظار دارند در فشاری که هنوز به آن دست نیافته اند، تبدیل به فلز جامد شود.

در سال ۱۹۳۵ هنگامی که دو فیزیکدان به نام های “واینر” و “بل” از دانشگاه “پرینستون”، برای اولین بار پیش بینی کردند که هیدروژن با متراکم شدن تبدیل به فلز می شود، فکر می کردند که این گذار فاز به فلز در فشار ۲۵۰۰۰۰ برابر فشار جو زمین اتفاق می افتد. این فشار ممکن است زیاد به نظر برسد،‌ اما در حال حاضر دانشمندان هیدروژن را در فشار ۱۰ برابر بالاتر از فشار بالا متراکم کرده اند و هنوز اثری از فلز جامد نیافته اند!
دانشمندان در ابتدا انتظار داشتند که این گذار فاز مربوط به رفتارهای فلزی ماده باشد، اما چنین نیست. هیدروژن جامد در اشکال مختلفی وجود دارد و هرکدام ساختار متفاوتی دارند. هنگامی که فشار افزایش می یابد،‌ مولکول  های هیدروژن به آرایش ها یا فازهای بسیار پیچیده تغییر شکل می دهند (‌برای فیزیکدانان، واژه ی فاز،‌ معنای عمیق تری نسبت به حالت های ساده ی ماده یعنی گاز، مایع و جامد دارد). تعداد فازهای شناخته شده از هیدروژن در فشار بالا به طور پیوسته رشد داشته و ۴ فاز در حال حاضر برای آن شناخته شده است. دانشمندان امیدوارند فاز بعدی که پیدا می کنند،‌ فلز باشد.

هیدروژن جامد علمنا

جیمز دووار در حال تولید هیدروژن جامد برای اولین بار به وسیله سرد کردن آن تا دمای پایین

همان طور که گفتیم تیم های تحقیقاتی در رقابت با هم برای تبدیل هیدروژن به فلز در حالت مایع یا جامد هستند و با هر آزمایش، فشار افزایش می یابد. آنها دو هدف متفاوت ازین کار دارند: ساخت یک ابررسانا که در دمای اتاق کار کند و شناخت غولهای گازی.
اگرمعلوم شود که هیدروژن فلزی جامد، یک ابررسانا در دمای اتاق است، باید خرد و فشرده شود تا کار کند وباعث می شود که برای بسیاری از برنامه ها غیرکاربردی باشد. اما اگر بتواند شکل فلزی خود را بعد از افزایش فشار حفظ کند، می تواند یک انقلاب در عرصه ی تکنولوژی و الکترونیک ایجاد کند و می توان از آن در سیم های الکترونیکی برای کاهش از دست دادن انرژی استفاده کرد و بدین ترتیب مصرف جهانی برق را هم کاهش داد. هم چنین ممکن است باعث کارآمدی بیشتر قطارهای مغناطیسی و پیشرفت های تکنولوژیکی در فناوری هسته ای و ابرکامپیوتر ها و غیره شود.
در حالی که یک گروه از متالوژیست ها در حال جستجو برای فلز جامد هستند،‌ محققان دیگر به دنبال هیدروژن فلزی مایع می باشند. اما تکنیک های استفاده شده توسط آنها درمقیاس زمانی و اندازه متفاوت است. برای تولید فلز مایع،‌ محققان هیدروژن را با استفاده از ابزارآلات عظیم در آزمایشگاه های ملی با شدت زیادی در کسری از ثانیه به هم می کوبند و گروهی دیگر،‌ برای تولید فلز جامد از دستگاه ها در سایز کوچک برای به دام انداختن هیدروژن بین نوک دو الماس استفاده کرده و آنرا به آرامی فشرده می کنند.

هیدروژن جامد علمنا

یک وسیله اپتیکی که سلول سندان الماس در وسط آن ساندویچ شده است

هیدروژن جامد

دو الماس که یک نمونه هیدروژن یا آهن یا سدیم در نقطه بنفش آن به دام می افتد

خرد کردن مواد گازی بین دو تیغه ی الماس به نظر غیر ممکن می رسد. اما به گفته ی فیزیکدان “الکساندر گنچاروف”،‌ چنین آزمایش هایی هنگامی انجام می شود که گروهی از دانشمندان در آخرین نتایج خود با هم به توافق نرسیده اند و هنوز به داده های قابل اعتماد و با کیفیت دسترسی ندارند. وی در دفتر خود در آزمایشگاه ژئوفیزیک موسسه “کارنگی”،‌ وسیله ای دارد که سلول سندان الماس نامیده می شود. سیلندر های فلزی آن به اندازه کافی کوچک هستند تا در کف دست وی جا شوند. تیغه هایی از جنس تنگستن سخت و فولاد با چهار پیچ بهم متصل شده اند و در مدخل بالا و پایین آن، دو الماس وجود دارد.
در داخل کپسول، دو الماس وجود دارد که از نقاط ریزی در ابعاد چند صدم میلی متر تشکیل شده اند. مواد در داخل نقطه ها به دام می افتند و در فشار یک میلیون برابر فشار جو، له می شوند. شکاف بین سندان ها می تواند به کوچکی چند هزارم میلی متر باشد،. یعنی در ابعاد سلول های قرمز خونی انسان.
هنگامی که مواد در آنها فشرده شده اند،‌ سلولهای سندان الماس می توانند فشار را تقریبا در حد نامحدود نگه دارند. این سلول می تواند مواد فراتر از هیدروژن،‌از آهن تا سدیم و حتی آرگون را در داخل گیره های الماس خرد کند.

ادامه دارد/

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست