محاولات علمية لإنشاء هيدروجين معدني تحت ضغط عالٍ لفتح موصل فائق جديد

كتبت : حبيبة جمال

الهيدروجين ليس معدنًا على الأرض، لكن العلماء يواصلون محاولاتهم لإنشاء هيدروجين معدني تحت ضغط عالٍ لفتح موصل فائق جديد.

فما هو الشيء اللامع الذي يوصل الكهرباء؟ الجواب عادة هو المعدن.

ثم هناك الهيدروجين، وهو غاز عديم اللون والرائحة. على الأقل للوهلة الأولى، إنه ليس عنصرًا يشير إلى خصائص معدنية. ومع ذلك، منذ أواخر القرن التاسع عشر، وضع الفيزيائيون نظرية مفادها أنه يمكن إنشاء الهيدروجين المعدني في ظل ظروف معينة.

اكتسبت هذه النظريات جاذبية، جزئيًا، بسبب وجود الهيدروجين المعدني في جميع أنحاء النظام الشمسي. على سبيل المثال، يُعتقد أن الجزء الداخلي من كوكب المشتري يتكون من الهيدروجين المعدني، حيث يؤدي الضغط الشديد داخل العملاق الغازي إلى ضغط الغاز وتحويله إلى معدن فائق التوصيل، مما يخلق المجال المغناطيسي القوي للكوكب. لكن على الأرض، جعلت الصعوبات التجريبية الهيدروجين المعدني بعيد المنال لمدة قرن تقريبًا.

معدن الهيدروجين

في عام 1935، نشر الفيزيائيان يوجين ويجنر، الرائد في فيزياء الحالة الصلبة، وهيلارد بيل هنتنجتون، بحثًا في مجلة الفيزياء الكيميائية يقترحان أن الهيدروجين يمكن أن يكون معدنيًا تحت ضغوط عالية. وافترضوا أن هذا سيحدث عند ضغط 25 جيجاباسكال (GPa)، أي 250 ألف ضعف الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر.

وقال يوجين جريجوريانز، أستاذ الفيزياء في جامعة إدنبرة الذي يدرس الظروف القاسية، لموقع Live Science: «في الواقع، إنها أعلى بكثير». وقال إن توقعات فيجنر وهنتنجتون هي بمثابة الحد الأدنى للضغط العالي اللازم لتحقيق الحالة المعدنية.

على مر السنين، زعمت العديد من مجموعات البحث أنها أنتجت الهيدروجين المعدني، لكن نتائجها تم تفسيرها بسبب سوء القياس. زعمت دراسة أجرتها جامعة هارفارد عام 2017 ونُشرت في مجلة Science أنها أنتجت هيدروجينًا معدنيًا عند 495 جيجا باسكال، لكنها أثارت الشكوك والنقاش بسبب المخاوف بشأن كيفية معايرة قياسات الضغط، والنماذج التي قارنوا ملاحظاتهم بها، ونقص إمكانية التكرار.

أفادت دراسة أجريت عام 2019 ونشرت في مجلة Nature Physics عن الهيدروجين شبه المعدني عند 350 جيجا باسكال.

الضغط العالي

قال ميخائيل إرميتس، المؤلف المشارك في الدراسة، وهو عالم تجريبي في فيزياء الضغط العالي والكيمياء وعلوم المواد في معهد ماكس بلانك للكيمياء في ألمانيا، لموقع Live Science: “لقد ضغطنا عليه بشكل هائل، ما يقرب من 20 مرة في الحجم”. أصبحت تجارب الضغط العالي هذه ممكنة فقط مع إنشاء خلية السندان الماسية.

باستخدام هذه التقنية، يتم تحميل غاز الهيدروجين الكثيف، أو الغاز السائل، في علبة صغيرة وضغطه بين ماستين، وهي أصلب مادة معروفة. على الرغم من أن الهيدروجين يحتوي على إلكترون واحد فقط، فإنه بشكل طبيعي يشكل H2، عندما يتم ربط ذرتي الهيدروجين معًا بواسطة إلكترونين غير متزاوجين، مما يشكل رابطة تساهمية. عندما يتم ضغط جزيئات الهيدروجين، تبدأ القوة بين الذرتين بالاهتزاز، مثل الزنبرك. ويزداد تردد هذه الاهتزازات، مما يعني أن الذرات تقترب من بعضها البعض.

عند هذه النقطة، تكون المسافة بين الذرات صغيرة جدًا بحيث تتحول الجزيئات إلى هيدروجين صلب. تم التوصل إلى الحالة الصلبة للهيدروجين في عام 1979 عند ضغط قدره 5.5 جيجا باسكال وأعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة.

لكن إذا قام العلماء برفع الضغط، سيحدث شيء غريب عندما يتجاوز 33 جيجا باسكال: يبدأ التردد في الانخفاض، مما يعني أن الذرات تبتعد عن بعضها البعض.

وقد لاحظت دراسة أجريت عام 1980 ونشرت في مجلة Physical Review Letters هذا التأثير. وحسب الباحثون أنه إذا استمر الضغط في الزيادة، فإن الرابطة بين ذرات الهيدروجين سوف تنكسر في النهاية، مما يؤدي إلى تكوين معدن قلوي نقي بتكافؤ واحد، أو إلكترون خارجي. ترتبط الفلزات القلوية في المواد الصلبة وتتشارك إلكترونات التكافؤ لتوصيل الكهرباء. من ناحية أخرى، تشكل ذرات الهيدروجين بشكل طبيعي جزيء H2، الذي يحتوي على واحدة من أقوى الروابط في الكيمياء، كما قال جريجوريانز لموقع Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني. فقط الضغط العالي – مثل تجاوز 33 جيجا باسكال – أو درجات الحرارة المنخفضة يمكن أن يكسر هذه الرابطة لتكوين معدن قلوي. تقع الفلزات القلوية، مثل الليثيوم والصوديوم، في المجموعة الأولى من الجدول الدوري، أسفل الهيدروجين مباشرةً. تتفاعل مع الماء لتكوين قواعد قوية أو قلويات.

تجربة صعبة

وبعد مرور أكثر من 40 عامًا، أصبح العمل بطيئًا. وقال إريميتس: “إن التجربة صعبة للغاية حقًا”، لأن الماس ينكسر أحيانًا، ولا يمكن الوصول إلى أعلى مستويات الضغط، أو لا يمكن إجراء قياسات على مثل هذه العينات الصغيرة، التي لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات.

وقال جريجوريانز إنه حتى مع ذلك فإن الهيدروجين المعدني الصلب ربما لا يكون بعيدًا. وقد لاحظت مجموعته البحثية وآخرون تغميق عينة الهيدروجين، مما يشير إلى أن “فجوة النطاق” تضيق. فجوة النطاق هي المسافة بين منطقة التوصيل ونطاق التكافؤ. وفي منطقة التوصيل، تتحرك الإلكترونات بحرية وتولد تيارًا كهربائيًا، وفقًا لموسوعة تعليم الطاقة من جامعة كالجاري.

في المعادن، تتداخل المسافة بين منطقة التوصيل ونطاق التكافؤ وتخلق التوصيل الكهربائي.

وقال جريجوريانز: “خصائص هذه الحالة المعدنية هي ما أعتقد أنه أكثر إثارة للاهتمام من المعدن نفسه”. تتنبأ إحدى الأفكار بأن الهيدروجين سيكون سائلاً في شكله المعدني ويمكن أن يكون موصلاً فائقاً.

وقال إريميتس إن الموصلات الفائقة الجديدة مهمة لأن الخيارات الحالية هشة ولا تعمل إلا في درجات حرارة منخفضة للغاية. تعتبر الموصلات الفائقة ضرورية للتقنيات الحديثة مثل رقائق الكمبيوتر وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.

لكن جريجوريانز لا يعتقد أنه سيتم استخدام الموصلات الفائقة للهيدروجين في الصناعة في أي وقت قريب لأن الهيدروجين المعدني النقي يتجاوز القدرات التكنولوجية الحالية.

وبدلا من ذلك، يركز العديد من العلماء بما في ذلك جريجوريانز جهودهم على الهيدريدات، والتي تتكون من معدن بالإضافة إلى الهيدروجين. لا تزال هذه العينات صغيرة، لكن الهيدريدات تشكل في الواقع موصلات فائقة تعمل تحت ضغوط أقل بكثير من تلك التي يتطلبها الهيدروجين النقي. ومع ذلك، قال جريجوريانز إن هذه الضغوط لا تزال مرتفعة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها في الصناعة. وقال: “لكن كظاهرة فيزيائية، فهي رائعة للغاية”.