Παρασκευή, 27 Ιανουαρίου 2017

Τι είναι το Μεταλλικό Υδρογόνο;

Είναι πραγματικότητα: Δημιουργήθηκε Μεταλλικό υδρογόνο για πρώτη φορά

Το υδρογόνο είναι πλέον και…μέταλλο.

Από την : FIONA MACDONALD


Περισσότερα από 80 χρόνια μετά την πρώτη πρόβλεψη, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει μεταλλικό υδρογόνο - μια μυστηριώδη μορφή υδρογόνου που θα μπορούσε να είναι σε θέση να δημιουργήσει υπεραγώγιμη ηλεκτρική ενέργεια χωρίς αντίσταση σε θερμοκρασία δωματίου.

Οι επιστήμονες από καιρό έχουν υποψιαστεί ότι το υδρογόνο θα μπορούσε να υπάρχει ως μέταλλο σε ορισμένα μέρη στο Σύμπαν, αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που μεταλλικό υδρογόνο δημιουργήθηκε στη Γη, και το υλικό αυτό είναι ακόμα πιο παράξενο και πιο συναρπαστικό από  ότι οι επιστήμονες είχαν αρχικά φανταστεί.

"Αυτό είναι το ιερό δισκοπότηρο της φυσικής υψηλών πιέσεων», λέει ο επικεφαλής ερευνητής Isaac F. Silvera από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. «Είναι το πρώτο δείγμα μεταλλικού υδρογόνου στη Γη, έτσι λοιπόν, όταν αναζητάτε κάτι τέτοιο, πρέπει να γνωρίζετε ότι ψάχνετε κάτι που ποτέ δεν υπήρχε πριν."

Ο περιοδικός πίνακας μπορεί γενικά να χωριστεί σε δύο κατηγορίες - μέταλλα και μη μέταλλα. Μεταξύ πολλών άλλων ιδιοτήτων, τα μέταλλα είναι λαμπερά (γυαλιστερά), καλοί αγωγοί, και συνήθως στερεά σε θερμοκρασία δωματίου (20 0C), ενώ τα μη-μέταλλα έχουν μία ‘’θαμπή’’ εμφάνιση, και είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρικού φορτίου.

Όπως οι περισσότεροι από εμάς μάθαμε στο γυμνάσιο, το υδρογόνο - το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα - είναι ένα μη-μέταλλο.

Ανατρέχοντας στο 1935, οι ερευνητές προέβλεψαν ότι, υπό ορισμένες συνθήκες, αυτό το κοινό και συχνά-μελετημένο στοιχείο θα μπορούσε να έχει τα άτομα του ενωμένα τόσο σφιχτά, που δεν θα αποκτά μόνο μεταλλικές ιδιότητες, αλλά θα μπορούσε πραγματικά να γίνει…μέταλλο.

Όμως αυτές οι συνθήκες δεν είναι εύκολο να επιτευχθούν - εμπλέκονται στη διαδικασία επίτευξης απίστευτα υψηλές πιέσεις σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, πράγμα το οποίο είναι και ο λόγος που για περισσότερα από 80 χρόνια, και παρά τις πολλές προσπάθειες, κανείς δεν ήταν σε θέση να αποδείξει ότι ήταν δυνατό μέχρι τώρα.

"Το πιο συναρπαστικό στοιχείο είναι ότι ‘’πρεσάροντας’’ το υδρογόνο σε αρκετά υψηλές πιέσεις, το είδαμε να γίνεται μεταλλικό," δήλωσε ο Silvera στο ScienceAlert.

Ο Silvera για 45 χρόνια προσπαθεί να δημιουργήσει μεταλλικό υδρογόνο.

Εξηγώντας ανέφερε ότι:  "Το υδρογόνο ξεκίνησε από το να είναι διαφανές, να γίνεται στη συνέχεια  ημιδιαφανές και μαύρο, και ξαφνικά έγινε λαμπερό",. " Στην πραγματικότητα Θα μπορούσαμε να το δούμε να γίνεται μέταλλο."


Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε αυτό το υλικό, για πρώτη φορά στον πλανήτη μας:

Εικόνα:Silvera et al

Κάτι τέτοιο δεν είναι απλά συναρπαστικό ως απόδειξη της ιδέας αυτής στον κόσμο της φυσικής - αν και είναι σίγουρα αυτό. Το μεταλλικό υδρογόνο υπήρξε πηγή μεγάλου προβληματισμού όλα αυτά τα χρόνια, επειδή προβλέπεται ότι έχει μερικές απίστευτες ιδιότητες.

Το πιο σημαντικό ; οι φυσικοί πιστεύουν ότι το μεταλλικό υδρογόνο θα μπορούσε να είναι ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου, πράγμα που θα σήμαινε ότι το υλικό αυτό θα μπορούσε να άγει ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση - και χωρίς να χρειάζεται να ψύχεται προηγουμένως σε ‘’τρελές’’ θερμοκρασίες.

Γνωρίζουμε ήδη πολλά είδη υπεραγώγιμων υλικών - μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για τη δημιουργία ισχυρών μαγνητικών πεδίων σε μηχανές MRI, και στα τρένα maglev - αλλά τα υλικά αυτά είναι ικανά ,για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας, σε θερμοκρασίες κάτω των -269 βαθμών Κελσίου (-452,2 βαθμούς Κελσίου), το οποίο για πολλές εφαρμογές καθίσταται δαπανηρό και μη πρακτικό.

Αν οι επιστήμονες μπορούσαν να επιτύχουν την ίδια υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, θα ήταν εκπληκτικό, γιατί αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε διάφορα πράγματα όπως γραμμές ηλεκτρικού ρεύματος που δεν έχουν καμία απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ του σταθμού της Ηλεκτρικής ενέργειας και του σπιτιού σας. Αυτή τη στιγμή, το δίκτυο χάνει το 15 τοις εκατό της ενέργειας του ως θερμότητα, λόγω της αντίστασης.

Το υλικό αυτό θα μπορούσε επίσης να είναι το πιο ισχυρό προωθητικό μέσο πύραυλου που έχει ανακαλυφθεί ποτέ, με την απίστευτη ενέργεια που αποθηκεύεται στις ενώσεις του, τόσο ικανή που μπορεί να μας εκτινάξει σε μακρινούς κόσμους!

Για να είμαστε σαφείς, το μεταλλικό υδρογόνο που ο Silvera και η ομάδα του έχουν δημιουργήσει, είναι μόνο περίπου 1 έως 1,5 μικρά (microns) σε πάχος, και 10 μικρά σε διάμετρο, οπότε είναι…μικροσκοπικό.

Και μέχρι την λεγόμενη ‘’Ομότιμη αναθεώρηση’’ (peer-review) η οποία επιβεβαίωσε ότι το δείγμα τους ήταν πραγματική κατάσταση, ήταν διστακτικοί να εκτελέσουν πάρα πολλές δοκιμές πάνω σε αυτό, και έτσι δεν έχουμε κανένα στοιχείο μέχρι σήμερα που να υποδηλώνει ότι το υλικό αυτό είναι ένας υπεραγωγός. Αυτό είναι κάτι που θα πρέπει να διερευνηθεί κατά τους μήνες που έρχονται.

 Αλλά για τώρα, γνωρίζουμε ότι το δείγμα είναι πραγματικό, και είναι σταθεροποιημένο στο εργαστήριο του Silvera από τον περασμένο Οκτώβριο.

Οι ερευνητές ισχυρίστηκαν ότι έχουν κάνει τα πρώτα στάδια στην παραγωγή μεταλλικού υδρογόνου στο παρελθόν - και μάλιστα ισχυρίστηκαν ότι έχουν αναφορές με αποδεικτικά στοιχεία του ίδιου του μεταλλικού υδρογόνου. Αλλά αυτές οι αναφορές δεν έχουν ποτέ επαληθευτεί. Αυτός ο τελευταίος ισχυρισμός , είναι ‘’διάτρητος’’  βάσει των κριτών, όμως, μέχρι στιγμής το δείγμα άντεξε όλες τις σχετικές μεταλλικές δοκιμές.

Για να δημιουργήσουν το δείγμα αυτό, η ομάδα ‘’παγίδευσε’’ υδρογόνο μέσα σε ένα μικροσκοπικό διαμαντένιο δοχείο ψυχόμενο στους 5,5 βαθμούς Κέλβιν (-267,65 βαθμούς Κελσίου και -449,77 βαθμούς Φαρενάιτ), εφαρμόζοντάς του απίστευτα υψηλή πίεση.

Εικόνα:Silvera et al

Και όταν λέμε υψηλή πίεση, εννοούμε υψηλή πίεση. Το 1935, είχε προβλεφθεί ότι το μεταλλικό υδρογόνο θα προκύψει σε πίεση 25 gigapascals (GPa). Αλλά ο Silvera και η ομάδα του, το πέτυχε τελικά σε πιέσεις μεταξύ 465 και 495 GPa - σχεδόν 20 φορές υψηλότερη από ότι είχε αρχικά προβλεφθεί.

Για να έχετε μια ιδέα, το 1 GPa ισούται με 1 εκατομμύριο kilopascals (kPa), και η μέση πίεση στο επίπεδο της θάλασσας στη Γη είναι 101.325 kPa.

Η ομάδα είδε γρήγορα την αλλαγή της εμφάνισής του, αλλά για να βεβαιωθεί ότι αυτό που δημιουργήθηκε ήταν μεταλλικό υδρογόνο, χρησιμοποίησε φασματοσκοπικές μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένων και μετρήσεων ανακλαστικότητας , οποία και έδειξε ότι αυτό ήταν αρχικά ένα πρότυπο αέριο υδρογόνου (Η2) που είχε μετατραπεί σε ένα ατομικό μέταλλο .

Μπορείτε να δείτε τη διαφορετική ατομική δομή παρακάτω:

Εικόνα:Silvera et al-Μετάφραση Δημήτρης Γκίκας

Τώρα που γνωρίζουμε ότι υπάρχει το μεταλλικό υδρογόνο, υπάρχουν πολλά ερωτήματα που μένουν να απαντηθούν. Το μεγαλύτερο από αυτά είναι το κατά πόσον το μεταλλικό υδρογόνο είναι ή όχι, υγρό ή στερεό - καθώς οι ερευνητές έχουν προβλέψει ότι θα μπορούσε να είναι και τα δύο.

Μέχρι στιγμής, ο Silvera και η ομάδα του πιστεύουν ότι αυτό που δημιούργησαν είναι ένα στερεό, αλλά θα πρέπει να κάνουν πιο λεπτομερείς αναλύσεις του υλικού τώρα που έχει ήδη επαληθευτεί η ύπαρξη του (κάτι που δεν ήταν διατεθειμένοι να διακινδυνεύσουν από πριν, σε περίπτωση που κατά λάθος κατέστρεφαν το εύθραυστο αυτό δείγμα).

Θα πρέπει επίσης να συνδέσουν το μέταλλο με ηλεκτρικό ρεύμα για να ελέγξουν αν είναι πραγματικά ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου - κάτι που είναι δυνατό είτε πρόκειται για ένα υγρό ή στερεό.

" Πρόκειται να είναι δύσκολο, αλλά θα προσπαθήσουμε’’, λέει ο Silvera.

Όλως περιέργως, Ο Silvera λέει ότι είναι επίσης πιθανό το μεταλλικό υδρογόνο να μπορεί να είναι μετασταθές (metastable) - πράγμα που σημαίνει ότι ακόμα κι αν σταματήσετε την πίεση θα παραμείνει μεταλλικό.

Ένα κοινό παράδειγμα ενός μετασταθούς υλικού είναι το διαμάντι, το οποίο είναι μια μετασταθής μορφή του άνθρακα. Για να κάνετε ένα διαμάντι, βάζετε γραφίτη κάτω υπό απίστευτη πίεση και θερμότητα - κάτι που συμβαίνει φυσικά βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης.

Αλλά ακόμα και όταν εξωρυχθούν  τα διαμάντια μέσα από το υπέδαφος, παραμένουν διαμάντια.

Το ίδιο θα μπορούσε να ισχύει και με το μεταλλικό υδρογόνο, και αυτό είναι κάτι που θα πρέπει επίσης να ελεγχθεί ξανά σε όλες τις προηγούμενες αναλύσεις που έχουν πραγματοποιηθεί στο δείγμα, μόνο για την περίπτωση που οι προβλέψεις αυτές είναι λανθασμένες, και το υλικό, όταν η πίεση αρθεί, θα διασπαρθεί και πάλι σε αέριο.

"Πρόκειται να εργαστούμε πάνω σε αυτό το δείγμα για λίγο, και στη συνέχεια θα σταματήσουμε να ασκούμε πίεση, έτσι ώστε να δούμε αν το δείγμα παραμένει ως μεταλλικό υδρογόνο’’, λέει ο Silvera. "Και μετά θα πειραματιστούμε με ένα άλλο δείγμα."


Υπάρχουν μπροστά μας συναρπαστικές στιγμές, και περισσότερες ανακαλύψεις που πρέπει να γίνουν. Σήμερα, όμως, εμείς απλά αποδείξαμε ότι το πιο κοινό από όλα τα στοιχεία του Σύμπαντος μπορεί να υπάρχει σε μια εντελώς νέα μορφή, και αυτό είναι ένας σοβαρός λόγος, αρκετό για μας στο να το…γιορτάσουμε.

Η έρευνα έχει δημοσιευθεί στο περιοδικό Science.





Στμ: Παρόμοιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης υπάρχουν και στον Πλανήτη Δία όπου το υδρογόνο (αλλά και το Ήλιο) μεταλλοποιείται δίνοντας στον Πλανήτη τεράστιο μαγνητικό πεδίο. Οι επιστήμονες βρήκαν έτσι την εξήγηση στο τι ήταν αυτό πού έδινε σε ένα αέριο γίγαντα μαγνητικό πεδίο



Πηγές: sciencealert.com
             el.wikipedia.org
             en.wikipedia.org

 Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.
 Για διορθώσεις, απορίες, ή συμπληρώματα γράψτε μας: gikasd63@hotmail.com