ما هو الشيء الذي يوصل الكهرباء؟ الجواب عادة هو المعدن. الهيدروجين لا يعتبر معدناً على كوكب الأرض، لكن العلماء يواصلون محاولاتهم للتوصل إلى أي هيدروجين معدني بتطبيق ضغط عال لإطلاق معدن جديد فائق النقل.
الهيدروجين، وهو غاز عديم اللون والرائحة. على الأقل للوهلة الأولى، إنه ليس عنصراً يحمل خصائص معدنية. ومع ذلك، منذ أواخر القرن التاسع عشر، وضع الفيزيائيون نظرية مفادها أنه يمكن التوصل إلى الهيدروجين المعدني في ظل ظروف معينة.
اكتسبت هذه النظريات جاذبية، جزئياً، بسبب وجود الهيدروجين المعدني في جميع أنحاء النظام الشمسي. على سبيل المثال، يُعتقد أن الجزء الداخلي من كوكب المشتري يتكون من الهيدروجين المعدني، حيث يؤدي الضغط الشديد داخل العملاق الغازي إلى ضغط الغاز وتحويله إلى معدن فائق التوصيل، مما يخلق المجال المغناطيسي القوي للكوكب. لكن على الأرض، جعلت الصعوبات التجريبية الهيدروجين المعدني بعيد المنال لمدة قرن تقريباً.
في عام 1935، نشر الفيزيائيان يوجين ويغنر، الرائد في فيزياء الحالة الصلبة، وهيلارد بيل هنتنغتون، بحثاً في مجلة الفيزياء الكيميائية يزعمان فيه أن الهيدروجين يمكن أن يكون ذا طبيعة معدنية، في حال طبقت على الهيدروجين ضغوط عالية تصل إلى 25 جيجا باسكال (GPa)، أي 250 ألف ضعف الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر.
وقال يوجين جريجوريانز، أستاذ الفيزياء في جامعة إدنبرة الذي يدرس الظروف القاسية، لموقع Live Science: "في الواقع، إنها أعلى بكثير". وقال إن توقعات فيغنر وهنتنغتون هي بمثابة الحد الأدنى للضغط العالي اللازم لتحقيق الحالة المعدنية.
على مر السنين، زعمت العديد من المجموعات البحثية أنها أنتجت الهيدروجين المعدني، لكن نتائجها تم تفسيرها بسبب سوء القياس.
زعمت دراسة أجرتها جامعة هارفارد عام 2017 ونُشرت في مجلة Science أنها أنتجت هيدروجيناً معدنياً عند 495 جيجا باسكال، لكنها أثارت شكوكاً وجدلاً بسبب المخاوف بشأن كيفية معايرة قياسات الضغط، والنماذج التي قارنوا ملاحظاتهم بها، ونقص إمكانية التكرار. وقال جريجوريانز: "القياسات الوحيدة التي تم تقديمها كانت عبارة عن أربع صور تم التقاطها من جهاز iPhone".
قال ميخائيل إرميتس، العالم التجريبي في فيزياء الضغط العالي والكيمياء وعلوم المواد في معهد ماكس بلانك للكيمياء في ألمانيا، والمشارك في الدراسة لموقع Live Science: "لقد طبقنا ضغطاً هائلاً على الهيدروجين، ما يقرب من 20 مرة في الحجم". أصبحت تجارب الضغط العالي هذه ممكنة فقط مع إنشاء خلية السندان الماسيةDAC) ).
باستخدام هذه التقنية، يتم تحميل غاز الهيدروجين الكثيف، أو الغاز السائل، في عبوة صغيرة، ويتم ضغطه بين ماستين، حيث يعتبر الألماس من أصلب المواد المعروفة. وعلى الرغم من أن الهيدروجين يحتوي على إلكترون واحد فقط، فإنه بشكل طبيعي يشكل H2، عندما يتم ربط ذرتي الهيدروجين معاً بواسطة إلكترونين غير متزاوجين، مما يشكل رابطة تساهمية. وعندما يتم ضغط جزيئات الهيدروجين، تبدأ القوة بين الذرتين بالاهتزاز، مثل الزنبرك. ويزداد تردد هذه الاهتزازات، مما يعني أن الذرات تقترب من بعضها البعض.
عند هذه النقطة، تكون المسافة بين الذرات قصيرة جداً بحيث تتحول الجزيئات إلى هيدروجين صلب. تم التوصل إلى الحالة الصلبة للهيدروجين في عام 1979 عند ضغط قدره 5.5 جيجا باسكال وأعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة.
لكن إذا قام العلماء برفع الضغط، سيحدث شيء غريب عندما يتجاوز 33 جيجا باسكال: يبدأ التردد بالانخفاض، مما يعني أن الذرات تبتعد عن بعضها البعض.
وقد لاحظت دراسة أجريت عام 1980 ونشرت في مجلة Physical Review Letters هذا التأثير. وحسب الباحثين إذا استمر الضغط في الزيادة، فإن الرابطة بين ذرات الهيدروجين سوف تنكسر في النهاية، مما يؤدي إلى تكوين معدن قلوي نقي بتكافؤ واحد، أو إلكترون خارجي. ترتبط الفلزات القلوية في المواد الصلبة وتتشارك إلكترونات التكافؤ لتوصيل الكهرباء. من ناحية أخرى، تشكل ذرات الهيدروجين بشكل طبيعي جزيء H2، الذي يحتوي على واحدة من أقوى الروابط في الكيمياء، كما يؤكد جريجوريانز لموقع Live Science. يمكن للضغط العالي فقط - الذي يتجاوز 33 جيجا باسكال - أو درجات الحرارة المنخفضة أن يكسر هذه الرابطة لتكوين معدن قلوي. تقع الفلزات القلوية، مثل الليثيوم والصوديوم، في المجموعة الأولى من الجدول الدوري، أسفل الهيدروجين مباشرةً. وتتفاعل مع الماء لتكوين أسس قوية أو قلويات.
وبعد مرور أكثر من 40 عاماً، أصبح العمل بطيئاً. وقال إريميتس: "إن التجربة صعبة للغاية حقاً"، لأن الماس ينكسر أحياناً، ولا يمكن الوصول إلى مستويات أعلى من الضغط، أو لا يمكن إجراء قياسات على مثل هذه العينات الصغيرة، التي لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات".
وقال جريجوريانز إنه حتى مع ذلك فإن الهيدروجين المعدني الصلب ربما لا يكون بعيداً. وقد لاحظت مجموعته البحثية وآخرون تعتيم عينة الهيدروجين، مما يشير إلى أن "فجوة النطاق" تضيق. فجوة النطاق هي المسافة بين منطقة التوصيل ونطاق التكافؤ. وفي منطقة التوصيل، تتحرك الإلكترونات بحرية وتولد تياراً كهربائياً، وفقاً لموسوعة تعليم الطاقة من جامعة كالجاري.
في المعادن، تتداخل المسافة بين منطقة التوصيل ونطاق التكافؤ وتخلق القدرة على التوصيل الكهربائي. يعتقد جريجوريانز أن "خصائص هذه الحالة المعدنية أكثر إثارة للاهتمام من المعدن نفسه". تظهر إحدى الأفكار بأن الهيدروجين سيكون سائلاً في شكله المعدني ويمكن أن يكون موصلاً فائقاً.
وتأتي أهمية الموصلات الفائقة الجديدة حسب إريميتس من أن الخيارات الحالية هشة ولا تعمل إلا في درجات حرارة منخفضة للغاية. وتعتبر الموصلات الفائقة ضرورية للتقنيات الحديثة مثل رقائق الكمبيوتر وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.
لكن جريجوريانز لا يعتقد أنه سيتم استخدام الموصلات الفائقة للهيدروجين في الصناعة في وقت قريب لأن الهيدروجين المعدني النقي يتجاوز القدرات التكنولوجية الحالية.
وبدلاً من ذلك، يركز العديد من العلماء بما في ذلك جريجوريانز جهودهم على الهيدريدات والتي تتكون من عنصر معدني مضافاً إلى الهيدروجين. لا تزال هذه العينات صغيرة، لكن الهيدريدات تشكل في الواقع موصلات فائقة تعمل تحت ضغوط أقل بكثير من تلك التي يتطلبها الهيدروجين النقي. ومع ذلك، قال جريجوريانز إن هذه الضغوط لا تزال مرتفعة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها في الصناعة. وقال: "لكن كظاهرة فيزيائية، فهي رائعة للغاية".
----