Naukowcy z Harvardu uzyskali metaliczny wodór?

Błyszcząca kropka widoczna przez mikroskop w laboratorium fizyka Isaac’a Silvera na Uniwersytecie Harvarda wstrząsnęła światem naukowym. Na portalu magazynu Science Silvera wraz ze swoim współpracownikiem Rangą Dias, opublikował pracę zatytułowaną: “Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen”. Ogłosili w nim światu obserwację wskazującą, że udało im się zgnieść wodór do takich ciśnień, że przemienił się on w metal w stanie stałym.

Czemu byłoby to wielkie osiągnięcie w nauce? Metaliczny wodór w stanie stałym jest prawdopodobnie superprzewodnikiem - ośrodkiem, w którym prąd przepływałby bez jakiegokolwiek oporu. Ponadto może on być także metastabilny, a to znaczy, że po uformowaniu go w wysokim ciśnieniu i powrocie do ‘normalnego’ środowiska z pokojową temperaturą zachowałby swój stan, a także właściwości superprzewodzące.

Naukowcy próbują pozyskać ten materiał od dekad. Co jakiś czas pojawia się ktoś, kto ogłasza, że wreszcie się udało. Dlatego też, szczególnie wśród fizyków wysokich ciśnień zajmujących się tematyką daje się odczuć niedowierzanie, a czasem nawet wrogość wobec publikacji. Mikhail Eremets z Instytutu Plancka w Mainz uważa, że przedstawione dowody nie są przekonujące. Dużo ostrzej wypowiedział się na łamach Science Eugene Gregoryanz z Uniwersytetu w Edynburgu, który stwierdził, że określenie pracy ‘stekiem bzdur’ jest za łagodne, wskazując na nieprawidłowe procedury.

Polskie media podchwyciły sensacyjne nagłówki zagranicznej prasy i w większości przypadków bez wzmianki o dużych wątpliwościach dotyczących eksperymentu, ogłosiły sukces fizyków. W artykule postaram się przedstawić skrótowo wynik pracy z Harvardu i wątpliwości jej dotyczące. Zacznijmy jednak od tego dlaczego praca wzbudza takie emocje wśród naukowców, czyli od początków poszukiwań metalicznego wodoru…

Święty Graal fizyki wysokich ciśnień

Poszukiwania zapoczątkowała praca teoretyczna Wignera i Huntingtona z 1935 roku, w której zawarli tezę o istnieniu metalicznego wodoru. Od tego czasu wiele grup naukowych rywalizuje ze sobą, starając się metodą prób i błędów stworzyć w warunkach laboratoryjnych ten osobliwy metal. Każdy kto ogłaszał sukces spotykał się z niemiłosierną krytyką od swojej konkurencji i na podobny do obecnego przypadek nie trzeba sięgać wielu lat wstecz…

We wspomnianym wyżej instytucie Mainz, którego pracownik skrytykował niedawno swoich kolegów, w 2012 roku fizycy Eremets i Troyan również ogłosili światu sukces. Najgłośniejszym krytykiem był wtedy… William Nellis z Uniwersytetu Harvarda!

Zalety i potencjalne zastosowanie metalicznego wodoru

Naukowcy wiedzą ile jest do zyskania, gdy któremuś z nich to się uda. Jak już wcześniej wspomniałem, teoretyzuje się, że w pewnych warunkach taki superprzewodzący wodór jest metastabilny i gdy usuniemy diamentowe zaciski, które doprowadziły go do tego stanu, to zostanie w nim na zawsze. Tak jak diament, który powstaje we wnętrzu Ziemi pod wpływem wysokiego ciśnienia. Gdy jest wydobywany na zewnątrz nie zmienia się w bezsprzecznie mniej wartościowy grafit.

Oprócz tego, że taki wodór mógłby być rewolucyjnym przewodnikiem i zmienić oblicze technologii to uważa się też, że mógłby stanowić budulec superlekkich materiałów, z których mogłyby powstać pływające miasta. Mógłby zostać także wykorzystany jako paliwo rakietowe i to nie byle jakie paliwo!

Jednym z najważniejszych czynników determinujących czy paliwo spalane w rakiecie jest dobre jest to jak łatwo się da go spalić i ile energii da się z tego spalania pozyskać. To już bezpośrednio przekłada się na ciąg silników rakietowych. W najpotężniejszych obecnie rakietach używa się ciekłego wodoru, wodór metaliczny pozwoliłby ‘upakować’ w kilogramie paliwa 4 razy więcej energii. Nie trzeba chyba mówić jak bardzo takie paliwo zmieniłoby przemysł rakietowy.

Posiadając metaliczny wodór moglibyśmy także przeprowadzać eksperymenty dotyczące ekstremalnych zjawisk we wnętrzach wielkich planet, takich jak Jowisz z poziomu laboratorium. Właśnie w jądrze Jowisza upatruje się miejsca, w którym mógłby występować metaliczny wodór, który być może odpowiada za pole magnetyczne tej planety.

Oprócz oczywistej konkurencji ośrodków, problemem w fizyce wysokich ciśnień jest sposób pracy i przeprowadzania eksperymentów. Warunki kilkuset GPa, znacznie przekraczające ciśnienie wnętrza Ziemi mogą zmylić najlepszego fizyka eksperymentalnego. Niezwykle trudno przygotować takie doświadczenie, a jeszcze trudniej interpretować jego wyniki.

Jak wyglądało doświadczenie Silvery?

Na samym początku naukowcy umieścili między dwoma płaskimi klipsami zakończonymi diamentem (tzw. komorze diamentowej) cienką metalową podkładkę. Podkładka utrzymuje umieszczony na niej wodór, podczas gdy diamentowe klipsy coraz silniej zaciskają się między nimi. Ciśnienie jest tak wysokie, że bez dodatkowej ochrony diamentów wodór w końcu dostałby się do niedoskonałości na ich powierzchni powodując pękanie. Badacze zastosowali więc materiał osłaniający powierzchnie diamentu. Jednak tu powstaje inny problem - nowy materiał utrudnia interpretację pomiarów laserowych tego co dzieje się z wodorem po środku. Jakby tego było mało ciśnienie powyżej 400 GPa sprawia, że wodór staje się czarny, więc nie pozwala na pomiar laserowy.

Naukowcom wcześniej udało się już uzyskać metaliczny wodór w stanie ciekłym. Wodór zachodzi w ten stan w wysokiej temperaturze i dużym ciśnieniu. Aby uzyskać metaliczny wodór w stanie stałym trzeba pójść znacznie dalej… Zaczynamy od temperatur kriogenicznych, poniżej -200 st. C. Wodór w tym stanie jest ciekły i nie przejawia własności przewodzących. Wystarczy zwiększyć ciśnienie, by stał się niemetalem w stanie stałym (im niższa temperatura tym niższego ciśnienia potrzeba, aby to zrobić). Wspomnieni wcześniej Wigner i Huntington ustalili przed wojną, że aby dokonać kolejnego przejścia fazowego, trzeba osiągnąć ciśnienie 250 GPa. Nieprzewodzący wodór w stanie stałym miałby się stać w takich warunkach metalem. Już dziesiątki lat temu przekroczono tę granicę i nic się jednak nie stało.

Silvera z Diasem zrezygnowali z ciągłego monitoringu intensywnym światłem laserowym, twierdząc, że przy takich ciśnieniach psuje to eksperyment. Gdy zbliżyli się do ciśnienia 500 GPa, czarna próbka stała się rudawa, a słabe światło laserowe nagle zaczęło być mocno odbijane od wodoru (domniemanego).

Czemu praca wzbudza takie emocje?

Jakie wątpliwości pojawiają się i dlaczego? Przede wszystkim eksperyment nie został jeszcze powtórzony. Sami autorzy pracy podkreślają, że może to być nie tylko stały metal, ale też ciągle wodór w stanie ciekłym. Próbka nie została jeszcze wypuszczona z diamentowego ścisku, a Silvera i Dias właściwie tylko piszą, że są przekonani, że to stały wodór metaliczny.

W obliczenia ciśnienia powątpiewają prawie wszyscy konkurenci. Dotychczas potwierdzoną i uznaną metodą pomiaru ciśnienia był stały monitoring spektroskopowy Ramana, polegający na obserwacji nieelastycznego rozpraszania fotonów w próbce. W tym przypadku naukowcy wykonali ten pomiar jedynie pod koniec przy ciśnieniu 495 GPa, a wcześniejsze ciśnienie szacowali na bazie liczbie obrotów śruby kontrolnej w urządzeniu.

Jeszcze jedna wątpliwość tyczy się czystości próbki. Chociaż w tym przypadku Silvera i Dias przekonują, że pomiar odbicia lasera z środka próbki i podkładki wskazują, że nie została ona skażona. Część z naukowców sądzi jednak, że nie ma pewności czy to co świeci na środku nie jest tlenkiem glinu z otoczki diamentów, zachowującym się w ten sposób pod wpływem ekstremalnych ciśnień.

Nie można więc stwierdzić, że zakończył się naukowy wyścig po wodorowy superprzewodnik. Para z Harvardu wykona dalsze pomiary, by w końcu wypuścić próbkę ze ścisku i przekonać się czy pozostanie ona w swoim obecnym stanie fizycznym. Na ostateczne potwierdzenie będzie musieli jeszcze poczekać.

Więcej informacji: