Tai būtų šimtmečio atradimas: skelbiama, kad metalinis vandenilis sukeltų mokslo bei technologijos revoliuciją ir tai būtų geriausias kuras pasaulyje - nejaugi mokslininkai tai jau padarė?

Kas galėtų įsivaizduoti, kad nuostabiausia medžiaga galėtų sukurti tiek karščio? Deja, šis karštis nėra naudingas, terminis. Ar bent jau kol kas nėra. Daugiau nei 90 metų pastangų sukurti metalinį vandenilį kol kas sukūrė vienintelį patikrinamą produktą – trintį tarp bandančių tai atlikti.

Pirmajam sukurti metalinį vandenilį būtų didžiulis pasiekimas. Toks didžiulis, kad ne viena mokslininkų grupė jau yra skelbusi apie savo sėkmę. Bet jų konkurentai – itin skeptiški. Ne išimtis ir atsakas į naujausią, birželį publikuotą tvirtinimą. „Šis straipsnis – daug triukšmo dėl nieko,“ sako Ranga Dias iš Rochesterio universiteto Niujorke. Galima pamanyti, kad toks teiginys pernelyg aršus, bet naujojo straipsnio autoriai apie jo 2017 metų teiginius išsireiškė lygiai taip pat.

Visa tai sukelia itin aukšti šio žaidimo statymai. Metalinio vandenilio advokatai teigia, kad ši tokio paplitusio elemento versija sukeltų mokslo ir technologijos revoliuciją. Tai galėtų būti proveržis raketinio kuro srityje, nes metaliniam vandeniliui virstant įprastu molekuliniu, išlaisvinama daugybė karščio. Dideles viltis į jį deda ir planetologai: manoma, kad iš šios medžiagos sudaryti tokių dujinių milžinų kaip Jupiteris branduoliai. Jei sugebėtume sukurti ją laboratorijoje, galėtume suprasti tokių planetų formavimąsi. O labiausiai vilioja gandai apie metalinio vandenilio savybę jau kambario temperatūroje tapti superlaidininku, per kurį elektra teka be nuostolių. Dėl visų šių priežasčių sėkmingas eksperimentas būtų itin svarbus pasiekimas, sako Helen Maynard-Casely iš Australijos neutronų sklaidymo centro. „Įsivaizduoju, visi jie tikisi gauti Nobelio premiją.“

Potencialas atrodo gan saldus. Tad, kodėl viskas taip apkarto?

Viskas prasideda nuo vandenilio, labiausiai Visatoje paplitusio elemento. Jis yra ir paprasčiausias – vienas elektronas skrieja apie vieną protoną. Tokia elektronų orbitalės sandara nurodo vietą pirmame periodinės elementų sistemos stulpelyje drauge su šarminiais metalais – ličiu, natriu ir kaliu. Šie trys elementai Žemėje egzistuoja kaip kietos medžiagos, tuo tarpu vandenilis dažniausiai būna dujinės formos. Norint jį paversti metalu, tektų jo atomus suglausti taip ankštai, kad jų elektronai taptų „delokalizuoti“, tai yra, galėtų laisvai judėti po medžiagą, tad ir būtų laidus elektrai.

Didėjantis spaudimas

Kad tokia transformacija įmanoma, pirmieji 1935 metais suprato Eugene Wigner ir Hillard Bell Huntington. Jie numatė, kad norint priversti vandenilį elgtis kaip periodinės lentelės kaimynai, tereikia slėgio – didelio slėgio. Norint vandenilio atomų elektronus išlaisvinti iš protonų glėbio ir paleisti laigyti po standžią gardelę, reikėtų suspausti beveik 400 gigapaaskalių (GPa) slėgiu, kas atitinka slėgį, 4 milijonus kartų didesnį už atmosferos (arba sukeliamą smeigtuko, ant kurio balansuoja dramblys). Tokį slėgį pasiekti laboratorijoje yra, švelniai tariant, labai nemenkas iššūkis. „Didesnio nei 100 GPa slėgio gavimas yra labai specializuotas dalykas,“ sako Maynard-Casely. „Nuolatos tai atlikti gali vos kelios mokslininkų grupės.“

Pirmą kartą prie šio tikslo prisiartinome 1998 metais. Cornellio universiteto (Niujorke) ir Marylando universiteto inžinierių komanda suspaudė vandenilio bandinius vadinamuoju „deimantiniu priekalu“. Iš esmės, tai yra pora deimantų, apdirbtų taip, kad jų viršūnės būtų itin aštrios, maždaug ketvirčio žmogaus plauko skersmens. Nors jie ir maži, tarp šių viršūnių galima sulaikyti šiek tiek vandenilio. Tada tyrėjai įjungia du deimantus tarpusavyje spaudžiantį presą ir suspaudžia tarp jų įkalintą vandenilį. Galiausiai, sulaužiusi 15 deimantų porų, komanda sugebėjo tarp deimantų sukurti 342 GPa slėgį, panašų į esantį Žemės branduolyje. Remiantis teorija, tiek turėtų pakakti vandenilį paversti metalu. Nepakako.

Po keturių metų, Paul Loubeyre iš Prancūzijos atominės energijos komisijos (CEA) netoli Paryžiaus vadovaujama komanda parodė, kad to ir reikėjo tikėtis. „Metalėjimo“ slėgio skaičiavimai remiasi „tarpo“ tarp dviejų labai stipriai besiskiriančių energijos lygmenų, kuriuose vandenilio atome gali būti elektronas, matavimu. Didėjant slėgiui, šis tarpas mažėja. Tai pakeičia elektrono gebėjimą sugerti ar spinduliuoti šviesą. Prieš pat tarpui išnykstant ir medžiagai tampant metalu, vandenilio atomai sugeria šviesą, bet jos neskleidžia – dėl to medžiaga tampa vis labiau nepermatoma. Bet vos tarpas užsiveria ir elektronai gali egzistuoti kaip laisvai judantys elektros laidininkai, jie sugertą šviesos energiją išspinduliuoja, ir medžiaga ima labai gerai atspindėti šviesą. Ekstrapoliuodami savo stebėjimus, Loubeyre su kolegomis įvertino, kad norint paversti sukurti metalinį vandenilį, vandenilį tektų spustelėti maždaug 450 GPa slėgiu.

Tai užtruko dar 13 metų, bet pagaliau pavyko. Tiesą sakant, pasiektas 495 GPa slėgis ir metalinis vandenilis buvo sukurtas. Ar bent jau taip 2017 metais teigė Harvardo universitete dirbę Dias ir Isaac Silvera, recenzuotame ir Science žurnale publikuotame straipsnyje. Harvardas paskelbė pranešimą spaudai, kuriame Silvera savo pasiekimą vadino „didelių slėgių fizikos Šventuoju Graliu“.

Tačiau Loubeyre nelinkęs skubėti. „Nemanau, kad straipsnis nors kiek įtikimas,“ dvejojo jis ne mažiau gerbiamame žurnale Nature. Tokias abejones sukėlė tai, kad metališkumas buvo pagrįstas vandenilio gebėjimu atspindėti šviesą: suslėgtas iki 495 GPa, jis pasidarė blizgus. Tačiau tai galėjo sukelti ir kitos priežastys, sako Loubeyre, tarkime, slėgio sukeliamą vandenilio gebėjimą atspindėti galėjo pakeisti deimanto smaigalius dengiantis aliuminio oksidas.

Be to, slėgio rodiklis buvo ekstrapoliuotas iš kalibravimo, paremto stipriai slegiamų deimantų vibracija, o ne išmatuotas tiesiogiai. Tai neįtikino kitų tyrėjų, sakiusių, kad slėgis galėjo nė neviršyti 350 GPa.

Mikhail Eremets iš Max Planck chemijos instituto Mainze, Vokietijoje, sutinka, kad Harvardo teiginiai dar nėra įrodyti. Atsakyme, paskelbtame arXiv išankstinių publikacijų, kurios dar nebuvo recenzuotos, serveryje, jis su kolega Alexander Drozdov teigė „publikuotuose duomenyse įtikinamų metalinio vandenilio sukūrimo įrodymų neradę“. Tai ne tuščios šnekos – jie irgi stengiasi sukurti metalinį vandenilį. Jų teigimu, ne tik atspindžio pokyčio dėl deimantų dangos galimybė, bet ir slėgio matavimai buvo „nevienareikšmiai“. Tad, akivaizdu, ką reikia atlikti: pakartoti eksperimentą. Tačiau tai atlikti sunku, nes eksperimentas susinaikino.

Dias ir Silvera visad nerimavo, kad jų bandinys trapus, tad apribojo atliekamų matavimų skaičių ir sritį. Jie jautė, kad svarbiau publikuoti savo įstabų pasiekimą. Bet grįžus tęsti tyrimų, jie bandinio neberado. Praėjo pora metų ir jie vis dar nežino, kas nutiko. Metalinio vandenilio šapelis – jei tai ir buvo būtent tai – tebuvo 10 mikrometrų storio. Jis galėjo išslysti iš priekalų ir prasmegti aparato gelmėse. Ar galėjo paprasčiausiai išgaruoti. Bet jie laikosi savo teiginių. „Atsakėme į visą kritiką,“ sako Silvera. Dias sutinka. „Esame visiškai tikri, kad stebėjome metalinį vandenilį,“ sako jis.

Vykstantys disputai paliko atviras duris užtikrintam metalinio vandenilio aptikimui – ir Paulas Loubeyre'as su komanda šmurkštelėjo pro jas pasiimti prizo. Ar, tiksliau, būtų šmurkštelėję, jei kas norėtų jį įteikti.

Birželį Loubeyre'as arXiv serveryje paskelbė drąsų straipsnį. „Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa“ straipsnio bendraautoriai, – Loubeyre'o CEA kolega Florent Occelli ir Paul Dumas iš Prancūzijos sinchrotrono SOLEIL tyrimų įstaigos, straipsnyje rašo, kad „apie 425 GPa slėgyje pademonstravome […] fazinį virsmą iš elektrai nelaidaus kieto molekulinio vandenilio į metalinį vandenilį.“ Pasak jų, tokį slėgį jiems pavyko pasiekti, panaudojus naujovišką deimantinį priekalą, kurį sukurti padėjo Occelli

Tad, dabar, tikriausiai nenustebsite, sužinoję, kad žinią kitos komandos sutiko nepatikliai. Eremetsas mano, kad stebėjimai įdomūs, bet toli gražu nenuodugnūs. Dias irgi žinią vertina atsargiai.

Norint įrodyti sukurtą vandenilio metalinį būvį, būtina pademonstruoti vieną iš dviejų dalykų, sako Dias. Pirmasis – kad temperatūrai judant link absoliutaus nulio, elektrinis laidumas nekinta. Antrasis – parodyti, kad didėjant šviesos bangos ilgiui, medžiagos atspindėjimo savybė irgi didėja,. „Nė vienas iš šių dalykų nebuvo parodytas,“ pastebi jis.

Be to, priduria, daugelį stebėjimų, apie kuriuos pranešta, anksčiau matė kitos grupės. Dar Eremetsas teigia, kad dauguma šių „naujų“ rezultatų jau buvo skelbti anksčiau – kai kuriuos skelbė jo paties grupė. Tai, kad Loubeyre'o išankstinėje publikacijoje necituojami jokie darbai, situacijos visai nepagerina.

„Tai būtų labai svarbu. įsivaizduoju, jie visi tikisi gauti Nobelio premiją”

Daugiau šviesos mažiau karščio

New Scientist pastangos susisiekti su Loubeyre'u ir kolegomis bei paprašyti pakomentuoti situaciją, nebuvo išgirstos. Tokiems pašaliniams stebėtojams, kaip Maynard-Casely, vienintelis būdas gauti užtikrintą atsakymą yra laukti straipsnio publikavimo recenzuojamame žurnale. „Kaip mokslininkė, turiu palaukti recenzijos,“ sako ji.

O tai kas lieka mums? Ar geriausio raketų kuro ir Jupiteryje esančio superlaidininko sukūrimo turėsime laukti dar 90 metų? Gal ne. Dias ir Silvera teigia pakartoję savo ir užfiksavę tokį pat rezultatą. „Maždaug prieš metus dideliu slėgiu atkūrėme žvilgų bandinį, bet dėl techninių priežasčių negalėjome išmatuoti spaudimo, todėl darbo nepublikavome,“ sako Silvera. Dias nuo tada persikėlė į Rochesterio universitetą. „Statau naują laboratoriją, kurioje galima sukurti metalinį vandenilį. Esu įsitikinęs, kad galėsime šį darbą atkartoti,“ tikina jis

Ne visi laukia užgniaužę kvapą. Ashkan Salamat nuomone, studijuojančio aukšto slėgio sistemas Nevados universitete, Las Vegase, metas žengti tolyn. „Jei nepasisaugosime, viskas baigsis trimis ar keturiais žmonėmis, tarpusavyje kartojančiais kitų darbus, ir kiekvienas tvirtins savo pirmenybę,“ sako jis. Tai būtų „šiek tiek nuobodu“, turint omenyje kad yra tiek tirtinų dalykų. „[Vandenilio] metalizavimo ateitis man atrodo gan užtikrinta. Nežinome tik, ar tai kietas kūnas ar skystis, bei ar jis galėtų būti superlaidininku kambario temperatūroje. Dar nemažai reikės nuveikti: ieškant atsakymų į visus šiuos klausimus, mums reikia dirbti drauge.“

Michael Brooks
www.newscientist.com