آیا هیدروژن یک فلز است؟ حداقل بر روی زمین هیدروژن یک فلز نیست، اما دانشمندان به تلاش برای ایجاد هیدروژن فلزی تحت فشار بالا ادامه می‌دهند تا یک ابررسانای جدید را باز کنند.
چه چیزی براق است و الکتریسیته را هدایت می کند؟ پاسخ معمولاً یک فلز است.
هیدروژن، یک گاز بی رنگ و بی بو است. حداقل در نگاه اول، این عنصری نیست که خواص فلزی را نشان دهد. با این حال، از اواخر دهه 1800، فیزیکدانان این نظریه را مطرح کردند که هیدروژن فلزی می‌تواند تحت شرایط خاصی ایجاد شود. این تئوری‌ها تا حدی به دلیل وجود هیدروژن فلزی در سراسر منظومه شمسی مورد توجه قرار گرفتند. به عنوان مثال، تصور می‌شود که درون مشتری، هیدروژن فلزی وجود دارد. فشار شدید درون این غول گازی، گاز را به یک فلز ابررسانای فشرده تبدیل می‌کند که میدان مغناطیسی قوی سیاره را ایجاد می‌کند. اما روی زمین، مشکلات تجربی، هیدروژن فلزی را برای تقریبا یک قرن گریزان کرده است.
در سال 1935، فیزیکدانان یوجین ویگنر، رهبر فیزیک حالت جامد، و هیلارد بل هانتینگتون مقاله‌ای را در مجله فیزیک شیمی منتشر کردند که در آن پیشنهاد کردند که هیدروژن می‌تواند تحت فشارهای بالا، فلز باشد. آن‌ها فرض کردند که این موضوع در 25 گیگا پاسکال (GPa) رخ می‌دهد، یعنی 250000 برابر فشار اتمسفر در سطح دریا.
یوجین گرگوریانز، استاد فیزیک در دانشگاه ادینبورگ که شرایط خاصی را مطالعه می‌کند، به لایو ساینس گفت: «در واقعیت، بسیار بالاتر است. او گفت که پیش‌بینی‌های ویگنر و هانتینگتون به عنوان حد پایینی از فشار بالا مورد نیاز برای دستیابی به حالت فلزی است.
در طول سال‌ها، چندین گروه تحقیقاتی ادعا کرده‌اند که هیدروژن فلزی (به انگلیسی metallic hydrogen) ایجاد کرده‌اند، اما نتایج آن‌ها با اندازه‌گیری ضعیفی توضیح داده شده است. یک مطالعه دانشگاه هاروارد در سال 2017 که در مجله Science منتشر شد، ادعا کرد که هیدروژن فلزی را با 495 گیگا پاسکال ساخته است، اما به دلیل نگرانی در مورد نحوه کالیبره کردن اندازه‌گیری‌های فشار، مدل‌هایی که مشاهدات خود را با آن‌ها مقایسه کردند و فقدان تکرارپذیری، تردید و بحث را برانگیخت. گرگوریانز گفت: «تنها اندازه‌گیری‌هایی که ارائه شد، چهار عکس بود که از یک آیفون تهیه شده بود.
یک مطالعه در سال 2019 که در مجله Nature Physics منتشر شد، هیدروژن نیمه فلزی را در 350 گیگا پاسکال گزارش کرد.
میخائیل ارمتس، یکی از نویسندگان این مطالعه، دانشمند تجربی در فیزیک فشار بالا، شیمی و علم مواد در مؤسسه شیمی ماکس پلانک در آلمان، به لایو ساینس گفت: “ما آن را به شدت فشرده کردیم، تقریبا 20 برابر حجم.” این آزمایشات پرفشار تنها با ایجاد سلول سندان الماس ممکن شد.
با این روش، گاز هیدروژن متراکم یا گاز مایع، در یک قوطی کوچک قرار می‌گیرد و بین دو الماس، سخت‌ترین ماده شناخته شده، فشرده می‌شود. اگرچه هیدروژن فقط یک الکترون دارد، اما به طور طبیعی H2 را تشکیل می‌دهد، زمانی که دو اتم هیدروژن توسط دو الکترون جفت نشده کنار هم نگه داشته می‌شوند و یک پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند. با فشرده شدن مولکول‌های هیدروژن، نیروی بین دو اتم، مانند یک فنر، شروع به ارتعاش می‌کند. فرکانس این ارتعاشات بالا می‌رود، یعنی اتم‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند.
در این نقطه، فاصله بین اتم‌ها به قدری ناچیز است که مولکول‌ها به هیدروژن جامد تبدیل می‌شوند. حالت جامد هیدروژن در سال 1979 در فشار 5.5 گیگا پاسکال و کمی بالاتر از دمای اتاق به دست آمد. اما اگر دانشمندان فشار را افزایش دهند، وقتی از 33 گیگا پاسکال بالاتر می‌رود، اتفاق عجیبی رخ می‌دهد: فرکانس شروع به کاهش می‌کند، به این معنی که اتم‌ها از یکدیگر دور می‌شوند.
مطالعه‌ای در سال 1980 که در مجله Physical Review Letters منتشر شد، این اثر را مشاهده کرد. محققان محاسبه کردند که اگر فشار به افزایش ادامه یابد، پیوند بین اتم‌های هیدروژن در نهایت شکسته می‌شود و یک فلز قلیایی خالص با یک ظرفیت یا بیرونی‌ترین الکترون ایجاد می‌کند. فلزات قلیایی به جامدات متصل می‌شوند و الکترون‌ها ظرفیت خود را برای رسانایی الکتریسیته به اشتراک می‌گذارند. گرگوریانز در ایمیلی به Live Science گفت، از سوی دیگر، اتم‌های هیدروژن به طور طبیعی مولکول H2 را تشکیل می‌دهند که یکی از قوی‌ترین پیوندها در شیمی را دارد. فقط فشار بالا – مانند رفتن بیش از 33 گیگا پاسکال – یا دمای پایین می‌تواند این پیوند را برای ایجاد یک فلز قلیایی شکسته باشد. فلزات قلیایی مانند لیتیوم و سدیم در گروه یک جدول تناوبی درست زیر هیدروژن قرار دارند. آن‌ها با آب واکنش می‌دهند تا پایه‌های قوی یا قلیایی‌ها را تشکیل دهند.
اکنون و بعد بیش از 40 سال، کار به کندی پیش می‌رود. ارمتس گفت: «آزمایش واقعاً بسیار دشوار است، زیرا الماس‌ها گاهی می‌شکنند، نمی‌توان به بالاترین فشارها رسید، یا نمی‌توان روی چنین نمونه‌های کوچکی که تنها چند میکرومتر هستند، اندازه‌گیری کرد.
گرگوریانز گفت، حتی هنوز هیدروژن فلزی جامد احتمالاً دور از دسترس نیست. گروه تحقیقاتی او و دیگران تیره شدن نمونه هیدروژن را مشاهده کرده‌اند که نشان می‌دهد «شکاف نواری» در حال بسته شدن است. شکاف نواری فضای بین ناحیه هدایت و نوار ظرفیت است. بر اساس دانشنامه آموزش انرژی از دانشگاه کلگری، در ناحیه هدایت، الکترون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
در فلزات، فضای بین ناحیه رسانایی و باند ظرفیت با هم همپوشانی دارد و رسانایی الکتریکی ایجاد می‌کند. گرگوریانز گفت: «ویژگی‌های این حالت فلزی چیزی است که… فکر می‌کنم حتی از خود فلز هم جالب‌تر است». یک ایده پیش بینی می‌کند که هیدروژن در شکل فلزی خود مایع خواهد بود و می‌تواند یک ابررسانا باشد.
Eremets گفت: ابررساناهای جدید مهم هستند زیرا گزینه‌های فعلی شکننده هستند و فقط در دمای بسیار پایین کار می‌کنند. ابررساناها برای فناوری‌های مدرن مانند تراشه‌های کامپیوتری و دستگاه‌های MRI ضروری هستند.
