رؤیای فیزیک دان ها برای ابررسانایی در دمای معمولی

در هفته های اخیر, رؤیای تولید هیدروژن فلزی پررنگ تر از گذشته شده است

در هفته های اخیر، رؤیای تولید هیدروژن فلزی پررنگ تر از گذشته شده است. گرچه بالغ بر ٨٠ سال قبل، دانشمندان وجود «هیدروژن فلزی» را پیش بینی کرده بودند، اما تلاش ها برای دستیابی به نمونه ای پایدار، هرچند کوچک و آزمایشگاهی از این ماده، تاکنون به هیچ نتیجه ای نرسیده است. هرچند محققان توانسته اند هیدروژن فلزی را به طور اتفاقی و کوتاه در آزمایشگاه تولید کنند، اما هنوز پرسش های بسیاری درباره ماهیت واقعی این ماده مطرح می شود. درحالی که هنوز هیچ آزمایشگاهی نتوانسته هیدروژن فلزی جامد پایدار را در مقیاس زیاد در آزمایشگاه تولید کند، اما دانشمندان همچنان تلاش می کنند که با ساختار پیچیده این عنصر و همچنین خواص و کاربردهای احتمالی آن بیشتر آشنا شوند. اگر این رؤیای دانشمندان عملی شود، انتظار داریم هیدروژن که فراوان ترین عنصر جهان است، در وضعیت فلزی خود به یک «ابررسانا» تبدیل شود که پایداری اش را حتی در دمای اتاق هم حفظ کند. اگر چنین رؤیایی محقق شود، دروازه های تازه ای به روی علم و فناوری باز خواهند شد. در ادامه با «هیدروژن فلزی»، خواص و کاربردهای آن بیشتر آشنا می شویم.

اکتبر سال گذشته میلادی، «آیزاک سیلورا» (Isaac Silvera)، یکی از استادان فیزیک دانشگاه هاروارد، جمعی از همکاران خود را دعوت کرد که از پشت میکروسکوپ آزمایشگاهش، چیزی را تماشا کنند که به ادعای او تاکنون وجود آن در هیچ کجای کیهان به تأیید تجربی نرسیده است: «مشاهده گذار ویگنر-هانتینگتون به هیدروژن فلزی». وی نتیجه پژوهش های خود را در نشریه «ساینس» (Science) نیز منتشر کرده است.

گفتنی است بالغ بر ٨٠ سال پیش، «یوجین ویگنر» و «هیلارد هانتینگتون»، فیزیک دانان دانشگاه پرینستون، پیش بینی کرده بودند که تحت فشارهای بیش از ۲۵ گیگاپاسکال (یعنی بیش از ۲۰۰ برابر فشاری که به کف گودال ماریانا، عمیق ترین گودال زمین در اقیانوس آرام وارد می شود)، اتم های جامد هیدروژن، به «هیدروژن فلزی تبدیل» می شوند. البته منظور از این گفته آن نیست که اتم های هیدروژن به اتمی دیگر تبدیل می شوند و ماهیت شیمیایی شان تغییر می کند، بلکه منظور آن است که خواص شیمیایی شان تغییر می کند و دارای خواص فلزی می شوند، که از آن جمله می توان به بازتابندگی و رسانایی بالا اشاره کرد. در این حالت مقاومت جسم در برابر جریان الکتریکی صفر می شود و این پدیده «ابررسانایی» نام دارد. معمولا مواد ابررسانا در دماهای فوق العاده پایین، پایدار هستند و به همین کاربردشان امروزه به معدودی حوزه های تخصصی (از قبیل شتاب دهنده های ذرات و تجهیزات ویژه پزشکی) که به سیم پیچ هایی بسیار کارآمد برای تولید میدان های مغناطیسی قوی نیاز دارند، محدود می شود، اما برخی دانشمندان پیش بینی می کنند که شکل فلزی هیدروژن، در دمای اتاق نیز خواص ابررسانایی از خود بروز دهد.

هیدروژن ساده ترین و اولین عنصر جدول تناوبی عنصرها و فراوان ترین عنصر جهان است. بنابراین به نظر می رسد می توان ساختار آن را به سادگی و آسانی درک کرد زیرا این عنصر یک الکترون دارد. هرچند ساختار هیدروژن در دمای معمولی بسیار ساده است، اما باید در نظر داشت در فشار زیاد، ساختار فیزیکی هیدروژن به سرعت پیچیده و غیرقابل درک می شود. در دمای اتاق و فشار جو، هیدروژن یک گاز است، اما همانند دیگر مواد، تغییر شرایط می تواند باعث تبدیل شدن آن به شکل های دیگر ماده مثل جامد یا مایع شود. اگر درجه حرارت بسیار کم شود و هیدروژن بسیار فشرده شود، هیدروژن گازی به هیدروژن جامد تغییر شکل می دهد. حال اگر این هیدروژن فشرده شده را کمی حرارت دهیم، به مایع تبدیل می شود.

اگر هیدروژن در معرض شرایط شدیدتری نسبت به شرایط گفته شده در بالا قرار بگیرد، از نظر تئوری، می تواند به فلز تبدیل شود. همه فلزات در یک ویژگی با هم اشتراک دارند که آن هم رسانایی الکتریکی است. الکترون های آزاد موجود در یک فلز، می توانند جریان برق یا الکتریسیته را در یک جسم عبور دهند.

دانشمندان می گویند می توان با فشردن زیاد و شدید هر ماده ای، آن را به فلز تبدیل کرد. هم اکنون دانشمندان به دنبال آن هستند که از هیدروژن یک سوپ غلیظ از الکترون های شناور در حال گردش درست کنند؛ چه در حالت مایع باشد یا جامد! دانشمندان ادعا می کنند که هیدروژن فلزی در حالت جامد، می تواند همانند یک ابررسانا رفتار کند. ابررسانا ماده ای است که الکترون های آن می توانند بدون ازدست دادن انرژی، جریان پیدا کنند. تمام ابررساناهای شناخته شده در دمای بسیار پایین عمل می کنند که یک اشکال بزرگ برای آنها محسوب می شود. فیزیک دانان نظری گمان می کنند که هیدروژن فلزی می تواند در دمای اتاق نیز همانند ابررساناها رفتار کند. دستیابی به ابررسانایی که در دمای اتاق هم کارآمد باشد، یکی از اهداف مهم فیزیک است، چراکه می تواند باعث صرفه جویی زیادی در مصرف انرژی شده و پیشرفت های گسترده ای در انتقال و ذخیره انرژی ایجاد کند.

اگرچه فیزیک دانان مدت هاست که سد ۲۵ گیگاپاسکالی ویگنر- هانتینگتون را شکسته اند و به فشارهای شدیدتری دست پیدا کرده اند، اما با درک بهتر خواص کوانتومی ماده، به این نتیجه رسیده اند که برای دستیابی به «گذار ویگنر- هانتینگتون» (از هیدروژن اتمی به هیدروژن فلزی)، به فشارهایی فوق العاده بیشتر، مابین ۴۰۰ تا ۵۰۰ گیگاپاسکال نیاز داریم. این در حالی است که فشار هسته زمین، چیزی حدود ۳۶۰ گیگاپاسکال است.

یکی از نکات جالب درباره سیاراتی مانند مشتری و زحل این است که میدان مغناطیسی قدرتمند و شدیدی دارند، به همین دلیل دانشمندان انتظار دارند که لایه ای از هیدروژن فلزی در آنها وجود داشته باشد. گفتنی است هیدروژن فراوان ترین عنصر تشکیل دهنده این سیارات است و با توجه به اینکه مقدار هیدروژن در این سیاره ها، ده هابرابر مقدار هیدروژن در زمین است، می توان تصور کرد که در عمقی مشخص از این سیارات، هیدروژن فلزی وجود داشته باشد، اما پیداست که تحقق چنین وضعیتی روی زمین، نیازمند روش ها و شیوه های خاصی است. گرچه تلاش های فیزیک دانان برای تولید هیدروژن مایع عملا به ثمر نشسته است، اما تولید هیدروژن جامد و از آن فراتر، هیدروژن فلزی، با دشواری هایی نه فقط در فرایند استحصال، بلکه در فرایند راستی آزمایی هم مواجه است؛ مثلا «سیلورا» و همکارش «رانگا دایاس» که مدعی تولید نخستین نمونه آزمایشگاهی هیدروژن فلزی شده اند، صرفا از روی میزان زیاد بازتابندگی نمونه (بالغ بر ۹۰ درصد) به این نتیجه رسیده اند، نه کسب اطمینان کافی از جامدبودن آن. اگر این نمونه حقیقتا هیدروژن فلزی باشد، طبق پیش بینی ها باید «شبه پایدار» (metastable) هم باشد؛ یعنی حتی پس از رفع فشار وارده، همچنان وضعیت فلزی خود را حفظ کند، درست مثل الماس که پس از خروج از عمق معادن نیز کماکان الماس می ماند، اما «سیلورا» و «دایاس» از بیم ازدست رفتن نمونه، آن را همچنان در فشار ۴۹۵ گیگاپاسکال نگه داشته اند.

این دو پژوهشگر، برای تولید این نمونه، از یک «گیره الماس» استفاده کردند. الماس از سخت ترین ترکیبات طبیعت است و می توان با اطمینان از پایداری آن، از آن برای اِعمال فشارهای بسیار زیاد به نمونه های آزمایشگاهی استفاده کرد، اما از آنجا که نمونه «سیلورا» و «دایاس» یک نمونه گازی بود و امکان داشت در فشارهای زیاد، به خلل و فرج دو فک بلوری «گیره» الماسی نفوذ کند، تصمیم بر این شد که از الماس مصنوعی با اندود آلومین (یا اکسیدآلومینیوم) برای اعمال فشار و یک واشر نگهدارنده فلزی برای کنترل نمونه استفاده شود. آنها نوک الماس ها را به روشی خاص صیقل دادند و به جای تاباندن یک لیزر قوی و متمرکز برای نظارت بر روند تحول نمونه (که ممکن بود لرزش ها و ترک هایی در ساختار گیره و واشر ایجاد کند)، از یک لیزر ضعیف فروسرخ استفاده کردند. این نوآوری ها البته به قیمت افت دقت محاسبه هم تمام می شد. اندود آلومین چه بسا تحت فشارهای بالا به نمونه هیدروژن وارد شود و بر خلوص آن تأثیر بگذارد. در فشارهایی بالاتر از ۴۰۰ گیگاپاسکال، هیدروژن کدر می شود و دیگر نمی توان تأثیر افزایش فشار (و حتی مقدار دقیق فشار) اعمال شده بر آن را مستقیما محاسبه کرد، به همین دلیل نمی توان از کنار چنین احتمالاتی به سادگی گذشت. بااین همه، «سیلورا» و «دایاس» مدعی اند که مقایسه بازتابندگی نمونه نهایی با واشر پیرامون آن قبل و بعد از کدرشدگی هیدروژن، نشان می دهد که در این روند، نمونه همچنان خالص باقی مانده و درجه خلوص آن تغییر نکرده است. بااین حال، تا تأیید نهایی تولید نخستین نمونه هیدروژن فلزی، دو گام ضروری باقی است: یکی تکرار آزمایش های مشابه تحت شرایط مختلف و دیگری رفع فشار از نمونه و کسب اطمینان از شبه پایداری و ابررسانایی آن در دمای اتاق. تنها پس از آن است که می توان آینده ای سراسر نویدبخش را برای هیدروژن فلزی و کاربرد هایش متصور بود. از آنجا که انرژی های هنگفتی برای تولید مقادیر اندکی هیدروژن فلزی صرف می شود، تبدیل همین مقدار اندک از هیدروژن فلزی به هیدروژن مولکولی می تواند به آزادسازی مقادیر هنگفتی انرژی بینجامد که حتی در مقایسه با بهینه ترین سوخت های موشکی امروزی، حدود ٣,٥ برابر بهینه تر خواهد بود.

اگر معلوم شود که هیدروژن فلزی جامد، در دمای اتاق هم ابررساناست و بتواند شکل فلزی خود را همچنان حفظ کند، می تواند انقلابی در عرصه تکنولوژی و الکترونیک ایجاد کند. در این حالت می توان از آن برای کاهش مصرف انرژی استفاده کرد و به این ترتیب مصرف جهانی برق را کاهش داد. همچنین ممکن است باعث کارآمدی بیشتر قطارهای مغناطیسی، پیشرفت های تکنولوژیکی در فناوری های هسته ای، ابرکامپیوترها و موارد بسیار دیگری از این دست شود.

فاطمه کاظمی