Ilmuwan Harvard berhasil mendapatkan hidrogen metalik

Gambar landasan berlian mengompresi sampel molekul hidrogen. Pada tekanan tinggi, hidrogen masuk ke keadaan atom, seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan. Sumber: Dias & Silvera, 2017

Pada tahun 1935, para ilmuwan Eugene Wigner dan Bell Huntington meramalkan kemungkinan transfer hidrogen ke keadaan logam di bawah pengaruh tekanan luar biasa - 250 ribu atmosfer. Beberapa saat kemudian, sudut pandang ini direvisi, para ahli meningkatkan perkiraan tekanan yang diperlukan untuk transisi fase. Selama ini, kondisi transisi dianggap dapat dicapai, dan para ilmuwan mencoba untuk "mengambil standar" yang diperlukan untuk transisi hidrogen ke fase baru. Untuk pertama kalinya, mereka mencoba memperoleh hidrogen metalik pada tahun 1970-an. Upaya berulang dilakukan pada tahun 1996, 2008 dan 2011. Sebelumnya dilaporkan bahwa pada tahun 1996, para ilmuwan dari Jerman berhasil mentransfer hidrogen ke bentuk logam untuk sebagian kecil mikrodetik, meskipun tidak semua orang setuju dengan ini.

Adapun tekanan yang diperlukan untuk menghasilkan hidrogen metalik, dengan perkembangan mekanika kuantum dan fisika, secara umum menjadi jelas bahwa tekanan harus sekitar 20 kali lebih tinggi dari yang diperkirakan sebelumnya - bukan 25 GPa, tetapi 400 atau bahkan 500 GPa. Dipercaya bahwa sejumlah besar hidrogen metalik hadir di inti planet raksasa - Jupiter, Saturnus, dan planet ekstrasurya besar. Karena kompresi gravitasi, inti hidrogen logam harus berada di bawah lapisan gas. Jelas bahwa untuk menerima tekanan raksasa, teknologi dan metode khusus diperlukan. Ternyata untuk mencapai yang diinginkan melalui penggunaan dua landasan berlian.

Kekuatan landasan ditingkatkan dengan sputtering dari alumina, yang tahan terhadap atom hidrogen. Sampel hidrogen dikompresi di antara ujung runcing dari dua landasan intan, dan pada tekanan 495 GPa, para ilmuwan mencapai transisi sampel ke dalam fase logam.


Sumber: Dias & Silvera, 2017

Bagaimanapun, sampel pertama gelap, dan kemudian mulai memantulkan cahaya. Pada indeks tekanan yang relatif rendah, sampelnya buram, tidak mengalir. Percobaan oleh Isaac Silvera dan Ranga Dias diulang. Untuk pertama kalinya, para ilmuwan berhasil mentransfer hidrogen ke fase logam pada pertengahan 2016. Tetapi hasil percobaan membutuhkan konfirmasi, percobaan berulang. Karena hasil percobaan awal dikonfirmasi, mereka dapat dianggap benar.

Para ilmuwan telah pergi ke hasil saat ini selama beberapa tahun. Hanya butuh tiga tahun bagi Silver dan Diaz untuk mencapai tekanan di mana hidrogen terpecah menjadi atom-atom individu. Tekanan yang dimaksud adalah 380 GPa.

Setelah peningkatan tekanan ini menyiratkan kebutuhan untuk memperkuat kekuatan landasan berlian, yang digunakan dalam percobaan. Untuk melakukan ini, mereka mulai menyemprotkan film aluminium oksida yang paling tipis. Tanpa peningkatan kekuatan, berlian, yang merupakan mineral paling sulit di Bumi, mulai rusak ketika tekanan naik di atas 400 GPa.

Para ilmuwan telah melakukan banyak pekerjaan pada studi berlian. Mungkin ada beberapa alasan kehancuran - mulai dari cacat pada struktur kristal hingga pengaruh yang paling padat hingga kepadatan hidrogen yang sangat besar. Untuk menyelesaikan masalah pertama, spesialis dengan hati-hati memeriksa struktur kristal di bawah mikroskop pembesaran tinggi. "Ketika kami melihat berlian di bawah mikroskop, kami menemukan cacat yang membuat mineral ini rentan terhadap faktor eksternal," kata Silvera. Masalah kedua diselesaikan dengan penyemprotan, yang menangkal kebocoran atom dan molekul hidrogen.

Masih sulit untuk mengatakan apa bentuk logam yang diterima Inggris - padat atau cair. Mereka merasa sulit untuk mengatakan, meskipun mereka percaya bahwa hidrogen telah masuk ke fase logam cair, karena ini diprediksi oleh perhitungan. Apa yang mereka yakini adalah bahwa sampel hidrogen setelah kompresi menjadi 15 kali lebih padat daripada sebelum dimulainya prosedur ini. Suhu hidrogen, yang ditempatkan di landasan intan, adalah 15K. Setelah transisi elemen ke fase logam, dipanaskan hingga 83 K, dan mempertahankan sifat logamnya. Perhitungan menunjukkan bahwa logam hidrogen dapat bersifat metastabil, yaitu, mempertahankan sifat-sifatnya bahkan setelah faktor-faktor eksternal yang menyebabkan transisi elemen ke fase logam melemah.

Mengapa manusia membutuhkan hidrogen metalik? Diyakini bahwa dalam keadaan ini ia menunjukkan sifat-sifat superkonduktor suhu tinggi. Selain itu, senyawa metalik hidrogen metastabil dapat digunakan sebagai bahan bakar roket yang ringkas, efisien dan bersih. Jadi, ketika hidrogen logam memasuki fase molekul, sekitar 20 kali lebih banyak energi dilepaskan daripada ketika membakar satu kilogram campuran oksigen dan hidrogen - 216 MJ / kg.

“Untuk menghasilkan hidrogen metalik, kami membutuhkan energi yang sangat besar. Dan jika Anda mentransfer atom hidrogen logam ke keadaan molekuler lagi, semua energi ini akan dilepaskan, sehingga kita bisa mendapatkan bahan bakar roket paling kuat di dunia, yang akan merevolusi ilmu roket, "kata penulis studi tersebut. Menurut mereka, bahan bakar baru, jika digunakan, akan membuatnya mudah untuk mencapai planet lain. Waktu untuk melakukan perjalanan ke mereka akan dihabiskan jauh lebih sedikit daripada sekarang, menggunakan teknologi modern.

DOI: 10.1126 / science.aal1579