A është hidrogjeni një metal?

Hidrogjeni nuk është një metal në Tokë, por shkencëtarët vazhdojnë të përpiqen të krijojnë hidrogjen metalik nën presion të lartë për të zhbllokuar një superpërçues të ri.

Çfarë është me shkëlqim dhe përçon elektricitetin? Përgjigja është zakonisht një metal.

Pastaj, ka hidrogjen, një gaz pa ngjyrë dhe pa erë. Të paktën në shikim të parë, nuk është një element që sugjeron veti metalike. Megjithatë, që nga fundi i viteve 1800, fizikanët kanë teorizuar se hidrogjeni metalik mund të krijohej në kushte të caktuara.

Këto teori fituan tërheqje, pjesërisht, sepse hidrogjeni metalik gjendet në të gjithë sistemin diellor . Brendësia e Jupiterit , për shembull, besohet të jetë hidrogjen metalik – presioni intensiv brenda gjigantit të gazit e shtrydh gazin në një metal superpërçues që krijon fushën e fortë magnetike të planetit. Por në Tokë, vështirësitë eksperimentale e kanë bërë hidrogjenin metalik të pakapshëm për gati një shekull.

Në vitin 1935, fizikanët Eugene Wigner, një lider në fizikën e gjendjes së ngurtë, dhe Hillard Bell Huntington botuan një punim në Journal of Chemical Physics duke propozuar që hidrogjeni mund të jetë metalik nën presione të larta. Ata supozuan se kjo do të ndodhte në 25 gigapascal (GPa) – 250,000 herë më shumë se presioni atmosferik në nivelin e detit.

“Në realitet, është shumë, shumë më e lartë,” i tha Live Science Eugene Gregoryanz , një profesor i fizikës në Universitetin e Edinburgut që studion kushtet ekstreme. Parashikimet e Wigner dhe Huntington shërbejnë si një kufi më i ulët i presionit të lartë të nevojshëm për të arritur një gjendje metalike, tha ai.

Gjatë viteve, disa grupe kërkimore kanë pretenduar se kanë krijuar hidrogjen metalik, vetëm për t’i shpjeguar rezultatet e tyre me matje të dobët. Një studim i Universitetit të Harvardit të vitit 2017 i botuar në revistën Science pretendoi se kishte prodhuar hidrogjen metalik në 495 GPa, por shkaktoi skepticizëm dhe debat për shkak të shqetësimeve rreth mënyrës se si ata kalibronin matjet e presionit, modelet me të cilat krahasuan vëzhgimet e tyre dhe mungesës së riprodhueshmërisë. “Të vetmet matjet që u prezantuan ishin katër foto të bëra nga [një] iPhone,” tha Gregoryanz.

Një studim i vitit 2019 i botuar në revistën Nature Physics raportoi hidrogjenin gjysmëmetalik në 350 GPa.

“Ne e shtrydhëm atë jashtëzakonisht, pothuajse 20 herë në vëllim,” tha për Live Science bashkautori i studimit Mikhail Eremets , një shkencëtar eksperimental në fizikën e presionit të lartë, kiminë dhe shkencën e materialeve në Institutin Max Planck për Kiminë në Gjermani. Këto eksperimente me presion të lartë u bënë të mundura vetëm me krijimin e qelizës së kudhës së diamantit.

Me këtë teknikë, gazi i dendur i hidrogjenit, ose gazi i lëngshëm, ngarkohet në një kuti të vogël dhe shtrydhet midis dy diamanteve, materiali më i fortë i njohur . Megjithëse hidrogjeni ka vetëm një elektron, ai në mënyrë natyrale formon H2, kur dy atome hidrogjeni mbahen së bashku nga dy elektrone të paçiftëzuara, duke formuar një lidhje kovalente. Ndërsa molekulat e hidrogjenit kompresohen, forca midis dy atomeve, si një sustë, fillon të dridhet. Frekuenca e këtyre dridhjeve rritet, që do të thotë se atomet po afrohen më shumë me njëri-tjetrin.

Në këtë pikë, distanca midis atomeve është aq e vogël sa molekulat kalojnë në hidrogjen të ngurtë. Një gjendje e ngurtë e hidrogjenit u arrit në 1979 në një presion prej 5.5 GPa dhe pak mbi temperaturën e dhomës.

Por nëse shkencëtarët rrisin presionin, një gjë e çuditshme ndodh kur ai shkon mbi 33 GPa: Frekuenca fillon të ulet, që do të thotë se atomet po largohen nga njëri-tjetri.

Një studim i vitit 1980 i botuar në revistën Physical Review Letters vëzhgoi këtë efekt. Studiuesit llogaritën se nëse presioni vazhdon të rritet, lidhja midis atomeve të hidrogjenit përfundimisht do të prishet, duke krijuar një metal të pastër alkali me një valencë të vetme, ose elektron më të jashtëm. Metalet alkali janë të lidhura në trupa të ngurtë dhe ndajnë elektronet e tyre të valencës për të përcjellë elektricitetin. Atomet e hidrogjenit, nga ana tjetër, formojnë natyrshëm molekulën H2, e cila ka një nga lidhjet më të forta në kimi, tha Gregoryanz për Live Science në një email. Vetëm presioni i lartë – si mbi 33 GPa – ose temperaturat e ulëta mund ta thyejnë këtë lidhje për të krijuar një metal alkali. Metalet alkaline, si litiumi dhe natriumi, ndodhen në grupin e parë të tabelës periodike, pikërisht poshtë hidrogjenit. Ata reagojnë me ujin për të formuar baza të forta, ose alkale.

Mbi 40 vjet më vonë, puna po ecën ngadalë. “Është vërtet shumë e vështirë të eksperimentosh,” tha Eremets, sepse diamantet ndonjëherë thyhen, presionet më të larta nuk mund të arrihen ose nuk mund të merren matje në mostra kaq të vogla, të cilat janë vetëm disa mikrometra.

Megjithatë, hidrogjeni i ngurtë metalik ndoshta nuk është larg, tha Gregoryanz. Grupi i tij kërkimor dhe të tjerët kanë vëzhguar një errësim të mostrës së hidrogjenit, gjë që sugjeron se “hendeku i brezit” po mbyllet. Hendeku i brezit është hapësira midis zonës së përcjelljes dhe brezit të valencës. Në zonën e përcjelljes, elektronet lëvizin lirshëm dhe krijojnë rrymë elektrike, sipas enciklopedisë së Edukimit të Energjisë nga Universiteti i Calgary.

Tek metalet, hapësira ndërmjet zonës së përcjelljes dhe brezit të valencës mbivendoset dhe krijon përçueshmëri elektrike.

“Vetitë e kësaj gjendjeje metalike [janë] ato që … Unë mendoj se është edhe më interesante se vetë metali,” tha Gregoryanz. Një ide parashikon që hidrogjeni do të jetë i lëngshëm në formën e tij metalike dhe mund të jetë një superpërçues.

Superpërcjellësit e rinj janë të rëndësishëm sepse opsionet aktuale janë të brishta dhe punojnë vetëm në temperatura jashtëzakonisht të ulëta, tha Eremets. Superpërçuesit janë thelbësorë për teknologjitë moderne si çipat kompjuterikë dhe makinat MRI.

Por Gregoryanz nuk mendon se superpërcjellësit e hidrogjenit do të përdoren në industri së shpejti, sepse hidrogjeni i pastër metalik është përtej aftësive aktuale teknologjike.

Në vend të kësaj, shumë shkencëtarë, përfshirë Gregoryanz-in, po përqendrojnë përpjekjet e tyre në hidridet, të cilat janë bërë nga një metal plus hidrogjen. Këto mostra janë ende të vogla, por hidridet në fakt formojnë superpërçues që punojnë nën presione shumë më të ulëta se ato që kërkohen nga hidrogjeni i pastër. Megjithatë, këto presione janë ende shumë të larta për t’u përdorur në industri, tha Gregoryanz. “Por si një fenomen fizik, është absolutisht magjepsës,” tha ai.