Metalizuotas vandenilis taptų superlaidininku

Manoma, kad skystas metalinis vandenilis egzistuoja didelės gravitacijos centrinėse Jupiterio bei Saturno dalyse. Bet iki šiol laboratorijos sąlygomis mokslininkai nesugebėjo statiškai suspausti vandenilį iki tokio slėgio, kad jis virstų metalu. Smūginių bangų metodu pavykdavo tai padaryti, tačiau tyrimai parodė, kad vandenilis lieka izoliatoriumi net didelio slėgio, sutinkamo Žemės branduolyje, sąlygomis.

Ieškodami būdų, kaip išspręsti susidariusią problemą, du Buffalo universiteto chemikai pasiūlė alternatyvų vandenilio metalizavimo būdą. Jų nuomone, įdėjus natrį į vandenilį būtų galimybė šį derinį padaryti superlaidžiu gana žemame slėgyje. Universiteto profesorės Evos Zurek ir jos kolegos Pio Baettigo darbas atspausdintas „Physical Review Letters“ žurnale.

Naudodami atviro kodo kompiuterinę programą, sukurtą Buffalo universiteto doktoranto Davido Lonie, Zurek ir Baettigas nagrinėjo natrio polihidridus, kurie, esant dideliam slėgiui, galėtų tapti superlaidininkais. Programoje XtalOpt yra pritaikytas evoliucinis algoritmas, kuriame, naudojant kvantinės mechanikos metodus, nustatomos stabiliausios geometrijos ar kristalų struktūros.

Tirdami gautus rezultatus, Baettigas ir Zurek nustatė, kad medžiaga NaH₉, kurioje vienam natrio atomui tenka devyni vandenilio atomai, turėtų pasižymėti metalinėmis savybėmis laboratorijos sąlygomis pasiekiamame slėgyje – dviejų šimtų penkiasdešimties gigapaskalių. Toks slėgis yra 2,5 milijono karto didesnis už Žemės atmosferos slėgį, tačiau mažesnis už Žemės branduolyje esantį slėgį, kuris sudaro apie tris milijonus atmosferų.

„Tai tik bazinis tyrimas, – paaiškino Zurek. – Tačiau, jei kas nors sugebėtų metalizuoti vandenilį panaudodami natrį, tai būtų žingsnis, leidžiantis geriau suprasti superlaidininkus bei kurti aukštatemperatūrinius superlaidininkus.“

Superlaidininkuose elektra perduodama be pasipriešinimo, todėl superlaidininkai galėtų pagerinti energijos perdavimo technologijų efektyvumą.

Zurek pradėjo dribti Buffalo universitete 2009 metais. Prieš tai ji buvo podaktarinėje stažuotėje Cornellio universitete, kur ji dirbo kartu su Nobelio premijos laureatu chemiku teoretiku Roaldu Hoffmanu. Roaldo Hoffmano mokslinių interesų sritis apima ir medžiagos elgsenos tyrimus aukšto slėgio sąlygomis.

2009 metais Zurek su Hoffmanu ir kitais kolegomis atspausdino darbą „Proceedings of the National Academy of Sciences“ žurnale. Jie numatė, kad LiH₆ medžiaga, kurioje vienam ličio atomui tenka šeši vandenilio atomai, gali tapti metalu padidinus slėgį iki vieno milijono atmosferų. Nei LiH₆, nei NaH₉ neaptinkami natūraliai Žemės sąlygomis. Tačiau manoma, kad esant dideliam slėgiui šios medžiagos turėtų būti stabilios.

„Vienas dalykas, kurį mėgstu pabrėžti, yra tai, kad aukšto slėgio sąlygomis chemija yra skirtinga. – pasakė Zurek. – Mūsų cheminė intuicija remiasi vienos atmosferos slėgio patirtimi. Didelio slėgio sąlygomis elementai, kurie, paprastai, nesudaro junginių Žemės paviršiuje, gali maišytis įvairiomis proporcijomis. Natūraliomis sąlygomis jodas yra izoliatorius, bet, padidinus slėgį, jis tampa metalu. O natris tampa izoliatoriumi. Mūsų tikslas yra panaudoti skaičiavimus cheminės intuicijos, atitinkančios didelį slėgį, vystymui bei naujų medžiagų su neįprastomis savybėmis numatymui.“