Perlombaan untuk Mengubah Hidrogen Gassy menjadi Logam Padat


Representasi artistik dari molekul hidrogen di bawah kompresi menggunakan perangkat landasan berlian berlawanan. Pekerjaan eksperimental mengeksplorasi evolusi hidrogen dari keadaan molekul dielektrik ambien (molekul transparan) hingga permulaan usulan metalisasi yang diinduksi tekanan (atom logam). Para ilmuwan sedang dalam perjalanan untuk mengungkap petunjuk tentang fase hidrogen yang paling sulit dipahami — hidrogen metalik padat.

Representasi artistik dari molekul hidrogen di bawah kompresi menggunakan perangkat landasan berlian berlawanan. Pekerjaan eksperimental mengeksplorasi evolusi hidrogen dari keadaan molekul dielektrik ambien (molekul transparan) hingga permulaan usulan metalisasi yang diinduksi tekanan (atom logam).

Para ilmuwan sedang dalam perjalanan untuk mengungkap petunjuk tentang fase hidrogen yang paling sulit dipahami — hidrogen metalik padat. Hadiah untuk menemukannya mungkin superkonduktivitas suhu kamar — yang pertama di dunia. Tetapi kelompok penelitian mengambil jalur yang berbeda untuk tujuan yang sama, dengan beberapa orang sekarang mempertanyakan apa yang bahkan akan mereka temukan jika mereka pernah sampai di sana.

Konsep logam hidrogen pertama kali diusulkan pada tahun 1935 oleh Eugene Wigner dan Hillard Bell Huntingdon, yang berteori bahwa di bawah tekanan besar, kisi hidrogen molekuler akan pecah menjadi hidrogen atom dengan elektron mengalir bebas melalui bahan. Keduanya sepakat negara ini hanya akan mengungkapkan dirinya jika hidrogen ditempatkan di bawah tekanan setidaknya 25GPa.

Ini adalah perkiraan yang agak sederhana menurut standar saat ini, menurut Eugene Gregoryanz dari University of Edinburgh, UK, yang kelompoknya menemukan prekursor hidrogen metalik pada Januari 2016. 'Mereka tidak tahu bagaimana hidrogen dapat dikompresi, ' kata Gregoryanz. Dia mencatat bahwa para peneliti telah mencapai tekanan 10 kali lebih besar dari 25GPa dan masih belum ada tanda-tanda keadaan logam hidrogen.

Spektroskopi Raman Mikro yang berfokus pada Hidrogen menggunakan sel landasan intan untuk mengerahkan tekanan lebih dari 3, 5 juta atmosfer dan dipanaskan secara resistif hingga suhu 475 K.

Keadaan bermain

Kelompok Gregoryanz mengeksplorasi keadaan hidrogen pada suhu kamar dengan menempatkan gas di antara ujung dua berlian yang rata. Ujung-ujungnya perlahan-lahan disatukan dalam sel berlian landasan (DAC), dengan suhu sel diadakan pada 300K. Dengan menggunakan metode ini, tim telah mencapai tekanan yang dilaporkan hingga 388GPa — tekanan yang biasanya diperuntukkan bagi pusat planet — tetapi mereka masih belum menemukan hidrogen metalik.

Dengan menyelidiki hidrogen bertekanan menggunakan spektroskopi Raman, Gregoryanz dan rekan-rekannya mampu mengungkapkan transformasi elemen. Gas awalnya transisi ke hidrogen molekuler cair sebelum dengan cepat mengadopsi bentuk padat. Ketika tekanan terbentuk, molekul hidrogen mengatur ulang dari satu susunan kristal yang berbeda ke yang lain, tetapi fase logam tetap sulit dipahami.

Para peneliti sejauh ini telah menemukan beberapa fase hidrogen padat. Sebagian besar, struktur ini terlihat seperti susunan kristal umum dari senyawa yang lebih berat. Hingga tekanan sekitar 180GPa, pada suhu kamar, molekul hidrogen yang berputar jatuh ke dalam kisi heksagonal longgar yang dikenal sebagai hidrogen fase I. Fase III terbentuk setelah sedikit kompresi di luar 180GPa dan ikatan kovalen menjangkar molekul ke dalam pemangkas heksagonal. Jika Anda dapat menekannya lebih jauh, fase IV akan muncul pada 230GPa dan molekul hidrogen yang berputar bebas akan meluncur di antara lapisan trimer. Tetapi semua fase ini adalah pengaturan molekuler yang tidak memiliki hubungan dengan bahan logam.

Namun awal tahun ini, tim Gregoryanz mengidentifikasi fase kelima di atas 325GPa. Para peneliti berpendapat bahwa fase ini adalah sebagian molekul hidrogen yang terdisosiasi, yang mungkin menyerupai, sebagian, struktur fase IV. Ini menggiurkan bagi para peneliti: tekanan lebih lanjut dapat mengubah fase V padat ini menjadi atom logam hidrogen.

Margin halus

Representasi artistik dari molekul hidrogen di bawah kompresi menggunakan perangkat landasan berlian berlawanan. Pekerjaan eksperimental mengeksplorasi evolusi hidrogen dari keadaan molekul dielektrik ambiennya hingga permulaan metalisasi yang diinduksi tekanan yang diusulkan.

Tetapi satu kelompok mengklaim bahwa mereka telah melihat fase di luar fase V, dan itu mungkin bersifat logam. Dalam pengaturan yang sama, tetapi menempatkan hidrogen sulfida di bawah landasan yang bertentangan dengan gas hidrogen murni, Mikhail Eremets dan rekan-rekannya di Institut Max Planck untuk Kimia, Jerman, diumumkan pada Januari 2016, seminggu setelah publikasi kelompok Edinburgh, fase itu V muncul pada tekanan yang lebih rendah dari 270GPa. Mereka juga mendeklarasikan bentuk hidrogen fase VI di atas 360GPa, meskipun di bawah 200 ribu.

"Kami mengklaim bahwa kami menemukan tidak hanya dua fase, tetapi salah satu fase adalah hidrogen konduktif, " kata Eremets, yang percaya bahwa fase VI kemungkinan logam.

Masih harus dilihat apakah komunitas dapat mengkonfirmasi fase baru ini. Tetapi menghadapi ketidakpastian seperti itu adalah tugas yang sulit dan, mengingat kondisi ekstrem di landasan berlian, sulit untuk memverifikasi hasil, menurut Gregoryanz. "Sangat sulit untuk ditiru - tidak banyak kelompok yang dapat memuat hidrogen ke DAC, " katanya. 'Kemudian, Anda harus memiliki pengaturan optik berkualitas sangat baik.'

Jika tidak, peneliti berisiko mengkompromikan eksperimen. "Ketika Anda mencapai 400GPa, Anda sedang berbicara tentang ukuran sampel 2 mikron, " Gregoryanz menjelaskan. Dengan ukuran sampel sekecil itu, tidak bisa dihindari sinar laser yang masuk untuk analisis Raman sebagian akan diserap oleh berlian. Jika laser tidak digunakan hemat, itu akan dengan cepat memanaskan landasan yang berharga dan berlian dapat pecah di dalam sel, menurut Gregoryanz.

Berlian selamanya

Tetapi beberapa kelompok mungkin mengambil risiko dengan menggunakan laser untuk memanaskan hidrogen itu sendiri, seperti Isaac Silvera dan rekan-rekannya di Universitas Harvard di AS. Ini menempatkan mereka pada jalur berbeda menuju hidrogen metalik daripada kelompok Gregoryanz dan Eremets.

'Anda dapat [mengambil hidrogen] untuk mengatakan [100—200MPa] ... dan kemudian memanaskannya ke fase cair, ' komentar Silvera. Dengan menempatkan gas hidrogen di bawah tekanan 'sederhana' pada suhu kamar ia akan mengadopsi bentuk padat, di mana Silvera dan rekan-rekannya meningkatkan suhu untuk menghasilkan cairan. Dia melanjutkan untuk menjelaskan akan ada titik ketika fase molekul cair ini berubah menjadi keadaan atom cair, yang seharusnya berperilaku seperti logam.

Untuk mencapai hal ini, sekali lagi hidrogen ditekan dalam landasan intan, tetapi dengan perbedaan utama dalam pengaturan — film tungsten semi-transparan dilapisi ke ujung intan. Dengan memanaskan film menggunakan pulsa laser, tim dapat memanaskan hidrogen dengan cepat, sementara juga menggunakan cahaya untuk menyelidiki pemantulan dan transmisi hidrogen. Mereka memperkirakan hidrogen bisa dipanaskan hingga 2200K.

Silvera menegaskan bahwa pulsa laser singkat tidak akan merusak berlian dan, rata-rata, mereka akan tetap pada suhu kamar. "Jika Anda memanaskan selama beberapa ratus nanodetik, ada banyak waktu untuk kesetimbangan termal, " katanya. "Kami sangat beruntung — kami hampir tidak kehilangan berlian."

Ini telah memberi mereka kesempatan untuk bekerja dalam domain yang juga sedang diperiksa oleh mesin Z Sandia National Lab, sebuah generator pulsa listrik yang mampu menghasilkan 27 juta ampli, di mana deuterium menjadi sasaran gelombang kejut ekstrim dan medan magnet.

Namun, dengan menggunakan landasan intan sederhana, kelompok Silvera telah mengamati peningkatan tajam dalam jumlah cahaya yang dipantulkan hidrogen pada suhu tinggi ini — indikator khas dari transisi isolator ke logam. Tetapi tim tersebut tidak dapat dengan tegas menyatakan bahwa mereka telah menemukan atom logam hidrogen murni dulu.

Batas akhir

Bagi Gregoryanz, langkah-langkah sementara ke hal-hal yang tidak diketahui ini mengasyikkan, tetapi dia tidak yakin apa yang pada akhirnya pencarian ini akan terungkap. Dia menjelaskan bahwa pada tekanan setinggi itu, hidrogen logam mungkin hanya ada sebagai superfluid — suatu keadaan materi yang eksotis dan tanpa gesekan. Ketika tekanan meningkat, atom-atom hidrogen memiliki lebih banyak energi dan ini dapat membuat keadaan padat yang stabil selamanya di luar jangkauan.

Jika hidrogen logam adalah superfluid, para peneliti mungkin memiliki bahan di tangan mereka yang menentang pemahaman. 'Semua superkonduktor yang kita kenal solid ... dan semua superfluida adalah isolator, ' komentar Gregoryanz. "Hidrogen cair ini akan menjadi superkonduktor dan superfluida pada saat yang sama — tidak ada yang seperti ini yang pernah diamati."

Mengingat mereka sedang mengeksplorasi batas-batas ilmu tekanan tinggi masyarakat tidak mau mengesampingkan hidrogen logam padat. Tetapi satu hal yang pasti, menurut Gregoryanz. "Anda harus sangat, sangat berhati-hati dengan apa yang Anda nyatakan dan bagaimana Anda menyatakannya, " katanya. "Begitu banyak orang membodohi diri mereka sendiri — itu tidak bisa dipercaya."

Artikel ini direproduksi dengan izin dari Chemistry World. Artikel ini pertama kali diterbitkan pada 30 Maret 2016.

Gletser Greenland Yang Stabil Sekali Wajah Meleleh dengan CepatBisakah Microgrid Melindungi Pasukan AS di Afghanistan?Berita dari Down UnderPakta Perdagangan Pasifik Akan Berarti Harga Obat Tinggi, Laporan BerkataCicadas yang berkeliaran di Pantai Timur AS adalah Veteran Perubahan IklimBiner Lubang Hitam Raksasa Terlihat di Galaxy's CoreBanyaknya Planet: Pencarian Galactic Menemukan Planet Terbuka Lebih Biasa Daripada BintangObrolan langsung pada jam 1 siang EDT tentang Reformasi Perawatan Kesehatan dan Keputusan Mahkamah Agung