اخبار

“فشار”ها در راه هیدروژن فلزی/بخش دوم

هیدروژن فلزی ابر رسانا علمنا
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

در قسمت قبلی این یادداشت به مقدماتی در خصوص دلایل علاقه دانشمندان به تولید و ایجاد هیدروژن فلزی اشاره شد. همچنین در خصوص محدودیت ها و دلایل عدم توانایی در تولید این ماده پرکاربرد و ابررسانا نیز توضیحاتی ارائه گشت. حال در بخش دوم و پایانی به ادامه این بحث جذاب می پردازیم.
برای شناسایی فازهای فلزی جدیدی از هیدروژن جامد در کپسول های تحت فشار که می تواند به طور بالقوه وجود داشته باشد، دانشمندان پرتوهای نور لیزر را بر روی مواد تابانده و چگونگی چرخش و ارتعاش انها را اندازه گیری می کنند. روشی که “طیف سنجی رامان” نامیده می شود. اگر به فاز جدیدی برسند، پیکر بندی مولکول ها تغییر کرده و جنبیدن آنها تغییر می کند.
انواع خاصی از تغییرات در نحوه ی جنبیدن اتم ها نشانه آن است که فاز جدید، فلزی است و اگر هم دارای رسانایی فلزی بود،‌ به طور آشکاری وارد فاز فلزی شده است.
اما موانع بزرگی بر سر راه آزمایش های سلول الماس وجود دارد. به عنوان مثال،‌ دانه های الماسی که بیشتر از ۶۰۰ دلار هزینه داشته باشند، می توانند در این فشار های شدید بشکنند. همچنین ممکن است هیدروژن از کپسول بگریزد یا در الماس پراکنده شده و باعث تضعیف آن ها بشود. به همین دلیل دانشمندان الماس هارا با لایه ی نازکی از مواد محافظ می پوشانند. هر تیم روش منحصر به فرد خود را دارد.
سه فاز هیدروژن جامد، در اواخر ۱۹۸۰ شناخته شده و فاز چهارم در سال ۲۰۱۱، کشف شده است. همچنین «میخائیل ارمت» و «ایوان ترویان» از موسسه ماکس پلانک ماینز آلمان مدعی شدند که هنگامی که هیدروژن را در فشار بالاتر از ۲ میلیون برابر فشارجو و دمای اتاق متراکم کردند،‌ موفق به یافتن فاز جدیدی شده اند.
گانچاروف،‌ گریگوریانز و همکارانشان فاز جدیدی را ساخته و ساختار آن را در Physical Review Letters در سال ۲۰۱۲ توضیح دادند.
همچنین دانشمندان می گویند، در فاز چهارم،‌ ساختار هیدروژن به ورقه های نازک شکل مرتب می شود و ساختاری مانند ورقه های ضخیم و تک اتمی کربن که به عنوان گرافن شناخته می شود،‌ پیدا می کند.
با این وجود پیشرفت در این زمینه آسان نیست. با هر مقاله ی جدیدی که منتشر می شود، دانشمندان در مورد معانی نتایجی که بدست می آورند،‌ دچار اختلاف نظر می شوند. هنگامی که ارمتز و همکارانش فاز جدید را کشف کردند،‌ فکر می کردند که هیدروژن فلزی را یافته اند اما ادعای آن ها به سرعت مورد انتقاد قرار گرفت و با بررسی های دقیق متوجه شدند که در اشتباه بودند.
در مقاله ای که از گروه گریگوریانز در مجله ی نیچر در ژانویه چاپ شد، شواهدی ارایه شده بود مبنی بر این که به فازی در فشار ۳ میلیون برابر فشار جوی رسیده اند که نزدیک به فاز فلزی بوده است. اما سایر دانشمندان عقیده داشتند که این شواهد قابل اعتماد نیستند. از سوی دیگر،‌ ارمتز و همکارانش در آزمایش هایشان نتوانستند فاز جدید را تایید کنند.
در مقاله ای که چند روز بعد از چاپ مقاله ی گریگوریانز در سایت آرکایو گذاشته شده بود، ارمتز و همکارانش از جزییات فاز شبه فلز که در فشار و دمای متفاوت از فاز کشف شده توسط تیم گریگوریانز اتفاق می افتاد، خبر دادند.
چند ماه بعد گروه سیلورا، با فشرده کردن هیدروژن به اندازه کافی آن را مات کردند به طوری که هرچند بازتاب نمی کند اما کاملا فلزی هم نیست. سیلورا می گوید:‌ ما درست زیر حد فشاری هستیم که برای ایجاد هیدروژن فلزی به آن نیاز داریم.
یافته های وی مطابق فاز یافت شده توسط ارمتز هستند؛ اما وی طرز فکر آنها در رابطه با فلزی بودن را به جدال کشیده و می گوید: «هرزمانی که آنها تغییر جدیدی می بینند آنرا فلزی نامیده در صورتی که که واقعا شواهد کافی برای اثبات هیدروژن فلزی را ندارند.»
به گفته ی ارمتز، به نظر می رسد که نوعی هرج و مرج و بی ثباتی در نظریات فعلی وجود دارد و هرکس می تواند از دیگری انتقاد کند. بنابراین آزمایش های بیشتری در این زمینه باید انجام شود.
البته پیشرفت هایی نیز حاصل شده است. در سال ۲۰۱۵، ارمتز و همکارانش، یک ابررسانا کشف کردند؛ “سولفید هیدروژن” که از ترکیب هیدروژن و گوگرد به دست می آید. هنگامی که این ماده را شدیدا در حالت جامد فشرده می کنند، تبدیل به ابررسانایی در دماهای بالاتر از دمایی که تا به حال دیده شده می شود،‌ یعنی دمای ۲۰۳ درجه ی کلوین می شود.
اضافه کردن گوگرد به هیدروژن باعث تثبیت و تقویت ساختار هیدروژن می شود اما به خواص ابررسانایی آن کمک نمی کند. ارمتز می گوید:‌ «از بعضی جنبه ها،‌ ما هم اکنون ابررسانایی در هیدروژن فلزی را یافته ایم.»
سیارات گازی و غول مالامال از هیدروژن بوده و رفتار عناصر تحت فشار می تواند بعضی از ویژگی های این سیارات را توجیه کند. دریایی از هیدروژن فلزی مایع ممکن است منبع انرژی مغناطیسی سیاره ی مشتری باشد. همچنین می تواند به حل معمای طولانی مدت حلقه های زحل که به طور غیر معمول روشن هستند، کمک کند. بررسی فیزیک اندرکنش های هیدروژن با هلیم در داخل سیاره می تواند به درک این پدیده کمک کند.
همچنین با استفاده از مجموعه ی متفاوتی از ابزارآلات،‌ گروه دومی از دانشمندان در پی شکار هیدروژن فلزی مایع هستند. ابزارآلاتی که برای آزمایش های همجوشی هسته ای در آزمایشگاه های دولتی و ملی طراحی شده اند. این آزمایش ها شواهد قانع کننده ای از وجود هیدروژن فلزی اما در حالت مایع، نه حالت جامد، نشان می دهند.
این ماشین های عظیم،‌ با بالا بردن سرسام آور دما و فشار در لحظات بسیار کوتاهی،‌ هیدروژن را منفجر می کنند. چنین آزمایش هایی دما را در حد چندین هزار کلوین بالا می برد. با این گرمای زیاد، هیدروژن فلزی در فشار کمتر و قابل دسترس تری به دست می آید.
رسیدن به چنین شرایطی نیازمند تجهیزات پیچیده می باشد. یک نوع ماشین که ماشین Z نامیده می شود، در آزمایشگاه ملی سندی درا آلبوکرک،‌ میدان های الکتریکی و مغناطیسی بسیار قوی در زمان خیلی کوتاه تولید می کند. به طوری که توان آن به اندازه ی ۸۰ تراوات بر ثانیه می باشد (‌یک تراوات،‌ ظرفیت کل توان الکتریکی تولید شده در کل آمریکا می باشد).
گروهی از دانشمندان از این ماشین برای پرتاب صفحه های فلزی به یک نمونه دوتریم استفاده می کنند. دوتریم یکی از ایزوتوپ های هیدروژن بوده که یک نوترون و پروتون در هسته اش دارد، استفاده می کنند که فشار بالا برای فشرده کردن آن را تولید می کند.
دانشمندان در سال گذشته گزارش داده اند که دوتریم کوبیده شده بارقه های بازتابی از فلزات درخشان را نشان می دهد. مارکوس کنودسن از دانشگاه ایالتی واشنگتن در پولمن می گوید:‌ «در ابتدا شروع به شفاف شدن می کند؛ سپس کدر می شود و در آخر مشاهده می کنیم که بازتاب می کند.»
همچنین گروه های دیگر تکنیک های دیگری را به کار می برند. آنها با استفاده از پیشرفته ترین لیزر های جهان،‌ در تاسیسات ملی احتراق لارنس لیورمور و تاباندن آن بر هیدروژن آن را به دما و فشار بسیار بالا می رسانند. “گیلبرت کالینز” فیزیکدان لارنس لیورمور و یکی از رهبران این آزمایش می گوید:‌ «هرچند که نتایج این آزمایش ها هنوز منتشر نشده اند اما برخی مواقع نتایج زیبایی داشتیم.»
اولین آزمایشی که شواهدی از هیدروژن فلزی مایع نشان می دهد در سال ۱۹۹۰ در لارنس لیورمور انجام شد. در حال حاضر یک تیم از دانشمندان از جمله ویلیام نلیس در دانشگاه هاروارد با استفاده از یک ابزار تفنگ مانند و پیچیده سعی در شلیک پرتابه هایی به هیدروژن در فشارهای بسیار زیاد داشته اند. هیدروژن های نهایی دارای خاصیت رسانایی بودند و جریان برق را هدایت می کردند.
اما این آزمایش ها با موانع خود روبرو هستند چرا که اندازه گیری دما در این سیستم ها به طور مستقیم امکان پذیر نیست و دانشمندان با روش هایی دما را محاسبه می کنند. “کرنل آشکرافت” می گوید: «هیدروژن فلزی قطعا توسط تکنیک شوک تولید شده است.»
برخی دانشمندان هنوز با سوال هایی درگیر هستند. کولینز می گوید: «در دماهای بالا سخت است که بتوانیم بگوییم این ماده فلزی می باشد یا خیر؛ اگرچه که به دمای بسیار بالا برای رسیدن به فاز فلزی مایع نیاز است اما برخی فیزیکدانان فلز را براساس رفتار آن در دمای مطلق و نزدیک به صفر تعیین می کنند. در آزمایش های کنونی با استفاده از بالا بردن فشار در دمای نزدیک به صفر مطلق سعی در تولید هیدروژن فلزی مایع نسبتا سرد داشته اند.»
دانشمندانی که آزمایش های سلول سندان الماس را هدایت می کردند از اینکه از آزمایش های هیدروژن فلزی مایع کنار گذاشته شوند سرباز زدند. آنها شروع به استفاده از پالس های لیزری برای حرارت دادن و ذوب کردن هیدروژن کرده اند و سلول ها را با آن پر کردند.
اما نتایج باعث اختلاف نظرات زیادی در بین تیم های رقیب شد. در مجله ریووی فیزیک،‌ در ماه آوریل سیلورا و همکارانش از تشکیل هیدروژن فلزی مایع خبردادند. اما در همان شرایط مشابه،‌ تیم گانچارف توانستند هیدروژن نیمه رسانا را بیابند نه هیدروژن فلزی. آنها نتایج کارشان را در مقالات ریووی فیزیک در ماه ژوئن چاپ کردند.
ایلینوییس می گوید:‌ «ما هنوز با نوعی بحران در آزمایش های مختلف مواجه هستیم و بسیاری در تلاشند تا معلوم شود که چه کسی درست می گوید. با این حال دانشمندان در حال پالایش تکنیک های خود هستند تا به یک توافق جمعی برسند.»
در حال حاضر ۴ فاز از هیدروژن جامد، مشخص شده و محققان در مورد شرایط خاصی که در آن هیدروژن جامد ذوب می شود،‌ با هم اتفاق نظر دارند.
به نظر می رسد که دستیابی به هیدروژن جامد دور از دسترس است زیرا که فشار مورد نیاز برای تولید آن که توسط نظریات پیش بینی شده است،‌ به تدریج رو به افزایش است. اما از آنجایی که رقابت هنوز ادامه دارد،‌ برخی از فیزیک دانان به فشار فراتر از فشار هایی که تاکنون دست یافتنی محسوب می شد،‌ دست یافته اند.
کولینز می گوید:‌ «ما همه هیدروژن را دوست داریم زیرا به خاطر داشتن ماهیت ساده، فکر می کنیم که می توانیم چیزی را محاسبه کنیم و آن را درک کنیم اما هم زمان دارای ماهیت فریبنده نیز می باشد که انگار جزو موادی است که کمترین شناخت را از آنها داریم.»

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست