Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


Legg igjen en kommentar

Hydrogenmetall

Vi trenger gode nyheter for tiden, og meldingen om at noen har greid å lage metall av hydrogen for aller første gang kan være en god kandidat.

Hva er hydrogenmetall?
Hydrogen er det minste atomet, og det grunnstoffet det finnes aller mest av i verden. Det består av ett proton og ett elektron. Vi finner det overalt i naturen, men stort sett ikke alene, fordi det er glad i å hekte seg sammen med andre stoffer. Rent hydrogen danner en gass der to og to hydrogener henger sammen i molekylform, og temperaturen må helt ned til 20 grader over det absolutte nullpunkt før denne gassen blir til en væske, for deretter å bli fast stoff ved 14 grader.
I dette faste hydrogenet, der temperaturen er nesten så lav som den kan bli, sitter atomene pent og rolig på rader og rekker, der hvert proton passer på sitt elektron. Imidlertid har det lenge vært kjent at dersom trykket blir veldig høyt, slik at hydrogenatomene blir dyttet mot hverandre med masse kraft, bør atomene gi slipp på elektronene sine. Protonene i kjernen vil ordne seg i et gitter, med alle elektronene svirrende løst rundt dem, akkurat som i et metall. Dette er det som kalles metallisk hydrogen, og forskere har brukt årtier på å prøve å fremstille det.

Hva skal vi med metallisk hydrogen?
739px-superconducting_levitation_and_candle_on_a_magnet

Med superledere kan man få ting til å sveve. Bilde: Wikimedia Commons

De teoretiske beregningene som har vært gjort tyder på at metallisk hydrogen vil være en superleder, det vil si et stoff som kan lede strøm helt uten tap. I dag sender vi elektrisiteten vår gjennom ledninger av kobber eller aluminium, og desto lengre avstand det er mellom stedet der strømmen lages og der den skal brukes, desto mer går tapt underveis. Om vi kunne lage metallisk hydrogen, og det oppførte seg stabilt ved normalt trykk og temperatur, kunne vi få mer ut av den strømmen vi lager fordi mindre av den ville gå tapt. Superledere kan også brukes til å få mer effektiv transport ved å få tog til å sveve. Vi har foreløpig ingen materialer som kan brukes som superledere ved romtemperatur.

Hvor høyt må trykket være?
Det ble først antatt at hydrogen ville gå over i metallform ved 25 GPa (det er omtrent 250 ganger høyere enn trykket i det dypeste havet i verden, Marianergropen). Senere har mer nøyaktige utregninger vist at en må opp i minst 100 GPa. Forsøk som ble gjort ved rundt 350 GPa, som tilsvarer trykket i Jordas sentrum, viste ingen tegn til metallisk hydrogen.
I eksperimentene som nettopp har blitt publisert, ble overgangen funnet ved omtrent 495 GPa.

Hvordan får man trykket så høyt?
Et greit prinsipp for å få høyt trykk er: Stor kraft, lite areal. Når forskere skal studere hva som skjer med materialer ved ekstreme trykk bruker de ofte noe som kalles diamant-ambolt-celle: To slepne diamanter plasseres med spissene pekende mot hverandre. Tuppen av spissen er polert, slik at du får to runde flater med diameter omtrent så stor som et hårstrå på tvers. Mellom disse flatene plasserer du en beholder laget av et sterkt materiale, som for eksempel rhenium, wolfram, beryllium eller diamant. Du fyller beholderen med det du ønsker å studere gjennom et lite hull som plasseres der midten av diamantspissen treffer, slik at ingenting kan komme seg ut gjennom hullet. Så plasserer du diamant-paret inne i en slags klemme, og skviser til. For å finne ut av hva som skjer inne i cella kan du skinne elektromagnetisk stråling (synlig lys, røntgen eller varmestråling) inn fra den ene siden og måle hva som kommer ut på den andre siden. Du kan også bruke elektroder for å måle hvor godt materialet i cella leder strøm, og du kan varme opp eller kjøle ned cella med laser eller flytende helium eller andre kule triks. For å vite hvilket trykk du har fått inne i cella bør du, i tillegg til materialet du ønsker å studere, legge inn noe kjent, som for eksempel en liten bit av en rubin.

Hva var det forskerne klarte nå?
Ranga Dias og Isaac Silvera ved Harvard University hadde brukt mye tid på å finne ut hvordan man skulle unngå at diamantene sprekker når trykket blir høyt. De polerte spissene og etset vekk det ytterste laget for å få vekk alle mikroskopiske ujevnheter, og varmebehandlet diamantene for å få vekk alle spenningene. Hydrogen har en irriterende tendens til å krype inn i andre materialer og gjøre dem lettere å knuse, men denne krypingen trenger temperatur for å fungere, så forskerne brukte flytende helium til å holde cellen kald. I tillegg dekket de diamantene og rhenium-kapselen med et 50 nanometer tykt lag av aluminiumoksid, som det er vanskelig for hydrogen å trenge gjennom. For å unngå temperaturutvidelser som kunne gi spenninger i diamantene, brukte de bare veldig forsiktig varmestråling til å måle på hva som skjedde inne i cella, med noen ekstra målinger med laser når de kom nær det høyeste trykket de kunne oppnå.
Da trykket nærmet seg 495 GPa ble hydrogenet først svart og deretter reflekterende, akkurat som man skulle forvente seg for et metall.

Så nå er det bare å sette i gang og produsere hydrogenmetall?
Nei, ikke helt. Resultatene var lovende, men ikke alle er overbevist. Noen mener for eksempel at forskerne kan ha blitt lurt av aluminiumoksid-laget på diamantene. Det største problemet er at, siden det er så fryktelig vanskelig å oppnå så høye trykk, er det foreløpig bare er gjort et eneste eksperiment. Eksperimentet er ikke engang avsluttet. Ifølge denne reportasjen lot forskerne det metalliske hydrogenet bli værende i kjølemaskinen sin, for å gjøre flere eksperimenter på det etter at de første resultatene var publisert. Akkurat dette virker jo litt mistenkelig. Om du har laget noe så fantastisk, vil du ikke utforske det nærmere med en gang? Hva er vitsen med å vente til det er gjort offentlig? Er de redde for at neste måling skal vise noe annet?
Så om trykkmålingen stemmer, og den optiske målemetoden er god nok til å faktisk vise at det var metall der, så gjenstår det bare å finne ut hva som skjer med stoffet når man reduserer trykket igjen, og deretter å lage en maskin som kan skvise massevis av hydrogen under enormt trykk. Så er vi i gang.