Valóra vált az elmélet: szilárd fémmé alakították a hidrogént

2017.01.31. 14:02

Ha az extrém nyomáson és ultraalacsony hőmérsékleten létrehozott anyagminta csakugyan szilárd fémes hidrogén, akkor nyolcvanéves jóslatot váltottak valóra az amerikai kutatók. A nagynyomású fizika Szent Grálja egyelőre csak egy ezüstvörösen fénylő pont a mikroszkóp alatt.

Komoly sorban állás alakult ki egy tavaly októberi napon Isaac Silvera laborjának ajtaja előtt. A Harvard Egyetemen dolgozó fizikus előző este izgatottan invitált be pár kollégát a laboratóriumba, hogy – amint fogalmazott – olyat lássanak, amilyet senki nem láthatott korábban. Állítása szerint a mikroszkópja alatt két gyémánt satupofa között vöröses ezüstben csillogó pontocska nem más volt, mint a szilárd fémes hidrogén valaha létezett első példánya. 

A fémes hidrogén szupravezető

A hír futótűzként terjedt, és másnap több százan tülekedtek, hogy megpillanthassák azt, ami sokak szerint a nagynyomású fizika Szent Grálja – olyasmi, aminek a létezését több mint nyolcvan évvel ezelőtt megjósolták, ám amit létrehozni eddig senkinek sem sikerült. Silverának este hatkor úgy kellett kitessékelnie az utolsó érdeklődőket, hogy végre hazamehessen, és hetekbe telt, míg elült az esemény keltette izgalom – amely most újból magasba csapott, amióta a Science magazin múlt heti számában végre megjelent a páratlan kísérletről beszámoló eredeti közlemény. 

A Silvera laborját megostromló fizikusok persze pontosan tudták, miért bír kollégájuk állítása akkora jelentőséggel. Ha a Silvera és fiatal munkatársa, Ranga Dias által előállított, a Föld középpontjában uralkodót jóval meghaladó nyomáson és ultraalacsony hőmérsékleten létrehozott anyagdarab valóban fémes hidrogén, az sok mindent megváltoztathat a mindennapi életünkben.

Rakéta-hajtóanyagként is szuper lenne a fémes hidrogénForrás: MTI/EPA pool/Kirill Kudrjavcev

Az első fontos tény a fémes hidrogénnel kapcsolatban az, hogy szupravezető, vagyis ellenállás nélkül vezeti az elektromosságot. Ez a tulajdonsága azonban önmagában véve nem bírna különösebb gyakorlati haszonnal, ha a fenntartásához a kísérletben alkalmazott extrém nyomásra és hidegre volna szükség.

A fémes hidrogén valószínűleg metastabil

A szilárd fémes hidrogénre vonatkozóan ugyanakkor létezik egy másik jóslat is, nevezetesen az, hogy metastabilis: ha egyszer kialakult, úgy marad akkor is, ha a nyomás és a hőmérséklet visszatér a hétköznapi értékekre. E jóslat értelmében a fémes hidrogénnek úgy kellene viselkednie, mint a gyémántnak, amely szintén extrém körülmények között – ez esetben magas hőmérsékleten és nyomáson – jön létre a grafitból, azonban ha egyszer átalakult, szobahőmérsékleten, a tenyerünkben tartva is gyémánt marad. 

A szobahőmérsékletű szupravezetőkre joggal tekintenek Szent Grálként a fizikusok.

„A megtermelt villamos energiának jelenleg mintegy 15 százaléka vész el hő formájában a távvezetékek ellenállása miatt – magyarázza Silvera. – Ha szupravezető anyagból készítenénk a távvezetékeket, a helyzet gyökeresen megváltozna.”

Szupravezető szobahőmérsékleten

„Szintén a reális lehetőségek birodalmába kerülnének a maglev (mágneses levitációs) gyorsvasutak, hatékonyabban működhetnének az elektromos autók, és sok más elektronikus eszköz teljesítménye is növekedne” – tette hozzá Dias. A villamos energia tárolását is forradalmasíthatná egy szobahőn stabil szupravezető: a megtermelt, de azonnal fel nem használt energiát veszteség nélkül lehetne keringetni egy szupravezető-áramkörben, és bármikor kivenni belőle, amikor szükség van rá.

Rakéta-hajtóanyagként is használható

A fémes hidrogén nemcsak mint szupravezető, hanem mint szuperhatékony rakéta-hajtóanyag is felhasználást nyerhetne.

„A fémes hidrogén létrehozásához hatalmas mennyiségű energiát kell befektetni. Ez az energia mind felszabadul, amikor a fémrács-szerkezetű hidrogén visszaalakul molekuláris hidrogénné, és mindez olyan vehemenciával történik, hogy a fémhidrogén túltesz bármelyik eddigi rakéta-hajtóanyagon” – mondta el Silvera. 

A ma használatos legerőteljesebb hajtóanyagok fajlagos impulzusa – az adott súlyú hajtóanyag által felszabadított impulzus – a 450 másodperces mérőszámmal jellemezhető, míg a fémes hidrogéné elméletben elérheti az 1700-at.

„Ekkora hajtóerővel könnyen elérhetjük a naprendszer külső bolygóit – állítja Silvera. – Ezenkívül két fokozat helyett eggyel is pályára tudnánk állítani rakétákat, így nagyobb hordozókapacitás maradna a hasznos tehernek, ami szintén nagyon fontos előrelépést jelentene.”

Erős kételyek

A lelkesedésben azonban nem osztozik mindenki maradéktalanul, sőt, egyesek kimondottan ellenségesen viszonyulnak az eredményhez. A fémes hidrogén előállításának híre fel-felröppent a múltban is, de eddig mindig elhamarkodottnak bizonyult a nagy bejelentés, úgyhogy a szakértők további bizonyítékokat várnak.

Mikhail Eremets, aki a mainzi Max Planck Kémiai Intézetben szintén a fémes hidrogén trófeáját hajszolja, viszonylag finoman fogalmazott, amikor azt nyilatkozta, hogy ők nem tartják igazán meggyőzőnek az eredményt. Eugene Gregoryanz, az Edinburgh-i Egyetem magasnyomás-fizikusa Silvera kísérleteire célozva egyenesen azt találta mondani: „Ha erre azt mondom, hogy hulladék, az még enyhe kifejezés.” Ő a harvardiak kísérleti módszertanát több ponton is erősen támadhatónak ítéli.

A nézetkülönbségek abból adódnak, hogy a nagynyomású hidrogénnel végzett kísérleteket eleve szinte bűvészmutatvány kivitelezni, az értelmezésük pedig végképp ingoványos. A tudósoknak először is egy vékony, fémből álló tömítőgyűrűt kell két laposra csiszolt és gyémántporral simára polírozott, szintetikus gyémánt satupofa – úgynevezett üllő – közé helyezni, ami majd a helyén tartja a hidrogént, miközben a gyémántsatu egyre nagyobb erővel préseli össze a közbezárt anyagot.

Nehéz az eredmények kiértékelése

A kialakuló óriási nyomás viszont belepréselné a gyémánt felszínén lévő egyenetlenségekbe a hidrogént, amitől a gyémánt törékennyé, repedésre hajlamossá válna. A kutatók ezért kénytelenek a gyémánt felszínét egy idegen anyagból – alumínium-oxidból álló védőréteggel bevonni, ami hiába átlátszó és mindössze 5 mikron vastag, mégis megnehezíti a satuba fogott hidrogén lézeres állapotmérésének kiértékelését. 

Így néz ki egy gyémántüllő (a fémes hidrogén előállításához nem ezt használták)Forrás: Jamie Kidston, ANU

Mindennek tetejébe 400 gigapascal (a tengerszinten mért légköri nyomás 4 milliószorosa) feletti nyomásértékeknél a hidrogén elfeketedik, és egyszerűen nem engedi át a lézerfényt. Márpedig Silveráéknak 495 gigapascalig kellett elmenniük, hogy a várt állapotváltozás bekövetkezzék, ezért a kísérlet végkifejlete felé közeledve csak találgatni tudtak, hogy pontosan mi is történik a satu szorításában.

Cseppfolyós halmazállapotú fémes hidrogént más kutatóknak már sikerült korábban előállítaniuk. Csillagászok szerint a hidrogénnek ez a módosulata alkotja a Jupiter és más óriásbolygók belsejét, és akkor jön létre, ha az óriási nyomás magas hőmérséklettel párosul. Silvera azonban az abszolút nulla fokhoz közel, mindössze 5,5 kelvinen dolgozott, és ezen az ultrahideg hőmérsékleten a nyomás emelésével a hidrogén hamar nemfémes szerkezetű szilárd halmazállapotra vált.

Több mint nyolcvan évvel ezelőtt, 1935-ben Wigner Jenő világhírű magyar származású fizikus és munkatársa, Hillard Bell Huntington a Princeton-i Egyetemen azt jósolták, hogy a nemfémes szilárd hidrogénnek 25 gigapascal körüli nyomás fölött fémessé kell alakulnia. Ezt a nyomásértéket fizikusok már évtizedekkel ezelőtt túllépték, de fémes hidrogénnek nyomát sem látták.

Más módszert alkalmaztak

Silvera és Dias csaknem hússzor ekkora nyomást alkalmazott, de elmondásuk szerint nem ez volt az egyetlen trükkjük: rájöttek, hogy a nagyenergiájú lézerrel végzett folytonos állapotkövetés rongálja a gyémántüllőket, ezért eltekintettek ettől. Ahogy a satupofák közötti nyomás megközelítette az 500 gigapascalt, az addig fekete anyagminta egyszerre vörösesre és csillogóra váltott, és az alacsony intenzitású – a gyémántot nem terhelő – infravörös lézer éles, csak a fémekre jellemző csúcsot mutatott a tesztanyag által visszavert fényben. Csak amikor ez megtörtént, akkor irányították rá a mintára a Raman-spektroszkópiában használt nagyenergiájú lézert, hogy megállapítsák a gyémántcella belsejében uralkodó nyomást. 

A harvardi kutatók elismerik, hogy a vöröslő-ezüstös pontocska lehetett éppen folyadék is – minden kétséget kizáróan ugyanis nem tudták ellenőrizni, mert egyelőre nem merték kifogatni a mintát a gyémántsatu szorításából. Abban viszont egészen bizonyosak, hogy akár folyadék volt, akár szilárd, mindenképp fémként viselkedett.

Neil Ashcroft, a Cornell Egyetem fizikusa, aki csaknem ötven éve megjósolta a hidrogén szupravezető állapotát, „nagyon meggyőzőnek” véli Silvera és Dias állítását. Eremets és mások viszont további bizonyítékokat várnak, mielőtt elhiszik, hogy a csoport szilárd fémmé – vagy egyáltalán bármilyen fémmé – alakította a hidrogént.

Ismétlés nélkül nem hisznek a beszámolóknak

„Eddig egyetlen kísérletet láttunk. Ezt meg kell tudni ismételni” – hangoztatta fenntartásait Eremets, aki abban is kételkedik, hogy Silveráék valóban elérték a 495 gigapascalos nyomást. A bevett szokás szerint a nyomást folyamatos Raman-spektroszkópiai méréssel ellenőrzik, amit azonban a harvardiak a fent vázolt okból elmulasztottak, és a végső, 495 gigapascalt igazoló méréstől eltekintve abból kalkulálták a nyomásértéket, hogy hányszor fordították el a satut összezáró csavart.

A kaliforniai Berkeley Egyetem magasnyomás-fizikusa, Raymond Jeanloz a hidrogén tisztaságával kapcsolatban is aggályának adott hangot, emlékeztetve arra, hogy ekkora nyomáson a tömítőgyűrű vagy a gyémánt védőrétegének anyaga lebomolva összekeveredhetett és reakcióba léphetett a hidrogénnel. „Mások már belesétáltak ebbe a csapdába” – figyelmeztetett.

A kutató nem kételkedik magában

Ám Silvera megingathatatlanul áll a támadások kereszttüzében. A hidrogénpontocska közepéről, illetve az azt körülvevő tömítésről vett fény-visszaverődési minták összehasonlítása számára kétséget kizáróan bizonyítja, hogy a hidrogénminta még 495 gigapascalon is tiszta maradt. 

Ami pedig a nyomást illeti, Silvera kitart amellett, hogy Dias és ő figyelmesen követték az alakulását, és meggyőződtek a satu kalibrációjának helyességéről. Mint elmondta, azért döntöttek úgy, hogy egyetlen kísérlet eredményéről is beszámolnak, mert attól tartanak, hogy a további kísérletek során megrongálódhat a gyémántsatu. 

De természetesen folytatják a munkát, és legközelebb részletes Raman-mérésekkel szeretnék igazolni, hogy a hidrogénminta valóban mutatja-e a szilárd fémekre jellemző rendezett atomi rácsszerkezetet. Végül pedig vesznek egy nagy levegőt, és kiszabadítják a mintát a satuból, akkor majd eldől, hogy csakugyan metastabilis-e a fémes hidrogénnek vélt anyagdarab. 

KAPCSOLÓDÓ CIKK