Τυχαία και για πρώτη φορά, μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το αμερικανικό εργαστήριο επιταχυντών SLAC του Υπουργείου Ενέργειας, κατάφερε να δημιουργήσει στερεό δυαδικό υδρίδιο του χρυσού — μια ένωση που αποτελείται αποκλειστικά από άτομα χρυσού και υδρογόνου.
Αρχικά, η ομάδα είχε σκοπό να ερευνήσει το πώς οι υδρογονάνθρακες – μόρια που αποτελούνται από άνθρακα και υδρογόνο – μετατρέπονται σε διαμάντια υπό ακραία πίεση και θερμότητα.
Στη διάρκεια πειραμάτων στο ευρωπαϊκό XFEL (X-ray Free-Electron Laser) στη Γερμανία, έβαλαν δείγματα υδρογονανθράκων με ένα λεπτό στρώμα από χρυσό έλασμα, με σκοπό ν’ απορροφήσει μόνο τις ακτίνες Χ και να μεταφέρει τη θερμότητα σε σχετικά ασθενώς απορροφητικούς υδρογονάνθρακες. Αναπάντεχα, μαζί με τον σχηματισμό των διαμαντιών, οι επιστήμονες παρατήρησαν και τη δημιουργία υδριδίου του χρυσού.
“Ήταν απροσδόκητο, επειδή συνήθως, ο χρυσός είναι χημικά πολύ βαρετός και μη αντιδραστικός – γι’ αυτόν τον λόγο τον χρησιμοποιούμε για την απορρόφηση ακτίνων Χ στα πειράματα αυτά”, εξήγησε ο Mungo Frost, μέλος της επιστημονικής ομάδας στο SLAC και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
“Τα αποτελέσματα, υποδηλώνουν πως θα ανακαλύψουμε αρκετή νέα χημεία σε ακραίες συνθήκες, όπου τα αποτελέσματα της θερμοκρασίας και της πίεσης, αρχίζουν ν’ ανταγωνίζονται με τη συμβατική χημεία, και μπορούμε να δημιουργήσουμε αυτές τις εξωτικές ενώσεις”.
Τα αποτελέσματά τους, δημοσιεύτηκαν στη διεθνή έκδοση του Angewandte Chemie, δείχνοντας πώς η χημική συμπεριφορά μπορεί ν’ αλλάξει δραματικά υπό ακραίες συνθήκες, όπως αυτές που επικρατούν βαθιά στο εσωτερικό των πλανητών ή σε άστρα υδρογονικής σύντηξης.
Μελετώντας το πυκνό υδρογόνο
Για να φτάσουν σε αυτά τ’ αποτελέσματα, οι ερευνητές συμπίεσαν δείγματα υδρογονάνθρακα σε πιέσεις που ξεπερνούν αυτές στο εσωτερικό του μανδύα, με τη χρήση ενός κελιού διαμαντένιου αμονίου.
Φωτογραφία: SLAC National Accelerator Observatory
Στη συνέχεια υπέβαλαν τα δείγματα σε εκρήξεις παλμών ακτίνων Χ από το Ευρωπαϊκό XFEL, θερμαίνοντάς τα σε πάνω από 1.927 βαθμούς Κελσίου. Αναλύοντας τον διασκορπισμό των ακτίνων Χ από τα δείγματα, η ομάδα κατέγραψε τις δομικές αλλαγές που πραγματοποιήθηκαν.
Όπως ήταν αναμενόμενο, τα δεδομένα επιβεβαίωσαν ότι τα άτομα του άνθρακα, είχαν διάταξη διαμαντένιου πλέγματος. Ωστόσο, αποκάλυψαν και απροσδόκητα σήματα: τα άτομα του υδρογόνου, είχαν αντιδράσεις με το έλασμα του χρυσού, σχηματίζοντας υδρίδιο του χρυσού.
Στις συνθήκες που είχαν δημιουργηθεί στο πείραμα, το υδρογόνο υπήρχε σε πυκνή, “υπεριοντική” κατάσταση, στην οποία τα άτομα του υδρογόνου μετακινούνταν ελεύθερα στο εσωτερικό του άκαμπτου χρυσού πλέγματος.
Η συμπεριφορά αυτή, ενίσχυσε την αγωγιμότητα των υλικών υπό ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες. Το υδρογόνο, το οποίο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα, είναι δύσκολο να μελετηθεί με ακτίνες Χ, επειδή τις διασκορπίζει μόνο ασθενώς.
Εδώ ωστόσο, το το υπεριοντικό υδρογόνο αλληλεπίδρασε με τα πολύ βαρύτερα άτομα χρυσού, και η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει την επίδραση του υδρογόνου στον τρόπο με τον οποίο το πλέγμα του χρυσού διασκόρπιζε τις ακτίνες Χ.
“Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το πλέγμα του χρυσού ως μάρτυρα για το τι κάνει το υδρογόνο”, είπε ο Mungo.
Το υδρίδιο του χρυσού προσφέρει έναν τρόπο μελέτης του πυκνού, ατομικού υδρογόνου υπό συνθήκες που μπορεί να εφαρμόζονται και σε άλλες καταστάσεις που δεν είναι άμεσα προσβάσιμες πειραματικά.
Για παράδειγμα, το πυκνό υδρογόνο απαρτίζει τα εσωτερικά συγκεκριμένων πλανητών, γι’ αυτό η μελέτη τους στο εργαστήριο, μας μαθαίνει περισσότερα για αυτούς τους άγνωστους κόσμους.
Μπορεί ακόμη, να προσφέρει νέα στοιχεία για τις διεργασίες πυρηνικής σύντηξης στο εσωτερικό αστεριών όπως ο ήλιος μας και να βοηθήσει στην ανάπτυξη τεχνολογιών για την αξιοποίηση της ενέργειας της σύντηξης στη Γη.
Εξερευνώντας μια άγνωστη χημεία
Εκτός από το ότι, ανοίγει τον δρόμο για μελέτες του πυκνού υδρογόνου, η έρευνα προσφέρει μια διέξοδο για την εξερεύνηση της νέας χημείας. Ο χρυσός, ο οποίος γενικά θεωρείται μη αντιδραστικό μέταλλο, ανακαλύφθηκε πως διαμορφώνει σταθερό υδρίδιο σε εξαιρετικά υψηλή πίεση και θερμοκρασία.0
Μάλιστα, φαίνεται πως είναι σταθερός μόνο σε αυτές τις ακραίες συνθήκες, καθώς όταν ψυχραίνεται διασπάται το χρυσό και το υδρογόνο. Οι προσομοιώσεις έδειξαν επίσης ότι σε υψηλότερη πίεση θα μπορούσε να χωρέσει περισσότερο υδρογόνο στο πλέγμα του χρυσού. Το πλαίσιο της εξομοίωσης, μπορεί να επεκταθεί πέρα από το υδρίδιο του χρυσού.
“Είναι σημαντικό να μπορέσουμε να παράγουμε πειραματικά και να δημιουργήσουμε μοντέλα των καταστάσεων αυτών, υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες”, εξηγεί ο Siegfried Glenzer, Διευθυντής του Τμήματος Υψηλής Ενεργειακής Πυκνότητας και καθηγητής φωτοεπιστήμης στο SLAC, καθώς και κύριος ερευνητής της μελέτης. “Τα εργαλεία της εξομοίωσης, μπορούν να εφαρμοστούν για την μοντελοποίηση άλλων, εξωτικών ιδιοτήτων υλικών σε εξαιρετικές συνθήκες”.
