Metalik Hidrojen İlk Kez Üretildi

İlk kez öngörüldüğü tarihten 80 yıldan fazla zaman sonra, fizikçiler hidrojenin oda sıcaklığında direnç olmadan elektriği süper iletme kapasitesine sahip olması mümkün, gizemli bir formu olan metalik hidrojeni üretmeyi başardı.

Bilim insanları, evrenin bazı bölgelerinde, hidrojenin metal halinde bulunabileceğinden uzun zamandır şüpheleniyorlardı, fakat metalik hidrojenin Dünya üzerinde üretilmesi bir ilk ve ortaya çıkan madde bilim insanlarının hayal ettiğinden daha tuhaf ve büyüleyici.

“Bu yüksek basınç fizikçilerinin kutsal kasesi”, diyen baş araştırmacı Isaac F. Silvera (Harvard Üniversitesi) “Bu Dünya üzerindeki ilk metalik hidrojen örneği, yani ona baktığınız zaman, daha önce hiç var olmamış bir şeye bakıyorsunuz”, diye ekliyor ^[1].

Periyodik tablo kabaca iki kategoriye ayrılabilir; metaller ve ametaller. Başka birçok özelliklerinin yanında, metaller parlak, iyi birer iletken ve oda sıcaklığında genellikle katı haldedir. Ametaller ise donuk görünümlüdür ve zayıf iletkenliğe sahiptir.

Hepimiz lisede periyodik tablonun ilk elementi olan hidrojeni ametal olarak öğrendik.

Ancak 1935’te araştırmacılar, belirli koşullar altında, bu yaygın ve sık çalışılmış elementin atomlarının çok sıkı bir şekilde birbirine bağlanabileceğini ve bu şekilde yalnızca metalik özellikler edinmekle kalmayıp, gerçekten metale dönüşebileceğini öngördüler ^[2].

Elbette bu koşulları elde etmek öyle kolay bir iş değil, inanılmaz yüksek basınç ve aşırı soğuk sıcaklık değerlerine ulaşmayı gerektiriyor. İşte bu yüzden, sayısız denemelere rağmen ^[3], 80 yıldan fazla süredir bunu başarabilen olmamıştı, ta ki şimdiye kadar.

Silvera ScienceAlert ile röportajında şöyle konuştu: “Bunun en heyecanlandırıcı kısmı, hidrojen gazını yeterince yüksek basınca çıkarabildik ve metale dönüşmesini izledik.”

Silvera 45 yıldır metalik hidrojen üretmeye çalışıyordu.

“Hidrojen şeffaf görünümünü kaybederek, siyah ve şeffaf olmayan bir hal aldı ve bir anda parlaklaştı”, diye açıkladı. “Hidrojenin metale dönüşümünü gerçek anlamda görebildik.”

Bu maddeyi, Dünya üzerinde ilk defa, aşağıda görebilirsiniz:

Bu gelişme yalnızca fizik dünyasında değil, birçok alanda bir kavramın kanıtlanması açısından heyecanlandırıcı bir gelişme oldu . Metalik hidrojen yıllardır birçok spekülasyona konu oldu, çünkü inanılmaz özellikleri olacağı öngörülüyordu.

En önemlisi, fizikçiler, metalik hidrojenin oda sıcaklığında bir süper iletken olabileceğini, yani elektriği sıfır dirençle iletebileceğini ve bunun için uç sıcaklıklara soğutulması gerekmeyeceğini düşünüyorlar.

Halihazırda birçok süper iletkenin olduğunu biliyoruz. Bu malzemeleri, MRI cihazlarında güçlü manyetik alanlar yaratmak için ve maglev trenlerinde kullanıyoruz. Ancak bu tür maddeler yalnızca -269 derece Celsius (-452,2 derece Fahrenheit) altında süper iletken özelliği kazanabiliyorlar ^[4] ve bu da böyle malzemelerin çok pahalı ve birçok amaç için kullanışsız olmasına sebep oluyor.

Bilim insanları aynı süper iletkenliğe oda sıcaklığında ulaşmayı başarabilseydi, bu inanılmaz bir gelişme olur, çünkü bu sayede elektrik santralinden evimize ulaşana kadar hiç elektrik kaybına uğramayan güç hatları gibi şeyler yapabilirdik. Şimdi ise, elektrik nakil şebekesinde, üretilen enerjinin yüzde 15 kadarını, direnç nedeniyle, ısı olarak kaybediyoruz ^[1].

Bu madde ayrıca, yüksek enerji depolayan bağları sayesinde bizi uzak dünyalara fırlatabilecek, şimdiye kadar keşfedilmiş en güçlü roket yakıtı olma potansiyeline sahip ^[1].

Açık olmak gerekirse, Silvera ve ekibinin elde ettiği metalik hidrojen yaklaşık 1-1,5 mikron kalınlığında ve 10 mikron çapında; yani oldukça küçük.

Ayrıca Silvera ve ekibi, elde edilen örneğin hakem değerlendirmesinden geçip gerçek olduğu onaylanmadan, örnek üzerinde çok fazla test yapmaktan kaçındılar; yani bu maddenin süper iletken olduğuna dair henüz bir kanıt yok. Bu ilerleyen aylarda araştırılacak bir konu.

Ama şimdilik örneğin, gerçek olduğunu ve ekim ayından beri Silvera’nın laboratuvarında kararlı halde bulunduğunu biliyoruz.

Geçmişte metalik hidrojen eldesinin ilk aşamalarını gerçekleştirdiklerini öne süren araştırmacılar oldu [3], hatta metalik hidrojenin varlığını kanıtladıklarını öne sürenler de oldu ^[5], fakat bu iddialar hiç doğrulanmadı. Bu son iddianın da birçok eleştirmen tarafından didik didik edileceğine kuşku yok, ama şimdilik konuyla ilgili bütün metal testlerini geçmeyi başardı.

 

Örneği elde etmek için, ekip hidrojen gazını küçük bir elmas kutuya hapsetti, 5,5 Kelvin’e (- 267,65 derece Celsius ve -449,77 derece Fahrenheit) kadar soğuttu ve çok yüksek basınca maruz bıraktı.

Yüksek basınç derken, gerçekten yüksek basınçlardan bahsediyoruz. 1935’te metalik hidrojenin 25 Gigapaskal (Gpa) altında oluşacağı öne sürülmüştü. Fakat Silvera ve ekibi metalik hidrojeni 465 ila 495 Gpa basınçta, yani öngörülenden 20 kat daha yüksek basınçta,  nihayet elde edebildi.

Aklınızda canlandırabilmeniz için, 1 Gpa 1 milyon kilopaskala (KPa) eşit olup, yeryüzünde deniz seviyesindeki basıncın 101.325 KPa olduğunu hatırlatalım.

Ekip kısa süre içinde hidrojenin görünüşünün değiştiğini gözlemledi, fakat elde edilen örneğin gerçekten metalik hidrojen olup olmadığını doğrulamak için, reflektivite (yansıtma) değeri ölçümünü de içeren bir dizi spektroskopik ölçüm yaptılar ve başlangıçtaki standart hidrojen gazının (H₂) atomik metale dönüştüğünü gösterdiler.

 

Basınç artışıyla hidrojenin atomik yapıya geçişini aşağıdaki şekilde görebilirsiniz:

Artık metalik hidrojenin var olduğunu bildiğimize göre, cevaplanmamış birçok soru ortaya çıktı. Bu sorulardan en büyüğü metalik hidrojenin sıvı mı, yoksa katı mı olduğu sorusu – araştırmacıların tahminleri ikisi birden olabileceği yönündeydi.

Silvera ve ekibi ise, şimdilik, elde ettikleri örneğin katı olduğunu düşünüyorlar, fakat örneğin metal olduğu artık doğrulandığına göre, üzerinde daha detaylı incelemeler yapmaya nihayet başlayabilirler. Daha önce bunu yapmaktan kaçınıyorlardı, çünkü ellerindeki hassas örneğin geri dönülmez biçimde zarar görmesinden endişeleniyorlardı.

Yapacakları analizlerden biri de, metali akıma maruz bırakarak, gerçekten oda sıcaklığında süper iletken özellik gösterip göstermediğini test etmek olacak – metalin sıvı veya katı oluşu bu ihtimali değiştirmiyor.

“Gerçekten zorlayıcı olacak, ama deneyeceğiz”, diyor Silvera.

İlginç olan bir başka nokta ise, Silvera metalik hidrojenin yarı kararlı ^[6] halde olabileceğini düşünüyor, bu da yüksek basınç kaldırılsa bile metalik kalacağı anlamına geliyor.

Yarı kararlı maddenin en bilinen örneklerinden biri, karbonun yarı kararlı bir formu olan elmas. Elmas elde edebilmek için, grafiti oldukça yüksek basınç ve sıcaklığa maruz bırakmak gerekir. Yer kabuğunun derinliklerinde bu koşullar sağlandığından, elmas kendiliğinden oluşabiliyor.

Bu durum metalik hidrojen için de geçerli olabilir, fakat bunun test edilmesi, diğer bütün analizlerden sonraya bırakılacak, çünkü bu öngörünün doğru olmaması durumunda, basınç kaldırıldığı anda hidrojen tekrar gaz haline dönebilir.

“Bu örnek üzerinde bir süre çalıştıktan sonra, yüksek basıncı devre dışı bırakıp örneğin metalik hidrojen olarak kalıp kalmayacağına bakacağız”, diyen Silvera “Daha sonra ise, yeni bir örnek elde etmeye çalışacağız”, diye açıklıyor.

Önümüzdeki günler heyecan ve yeni keşifler getireceğe benziyor. Ama bugün, Evren’deki en yaygın elementin ^[7] tamamen yeni bir formda var olabileceğini kanıtladık ve bu kutlama yapmamız için yeterli bir neden.

 

Söz konusu araştırma Science Dergisinde yayınlanmıştır ^[8].

Orijinal makale
http://www.sciencealert.com/hydrogen-has-been-turned-into-a-metal-for-the-first-time-ever

Orijinal Makalenin Referansları
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-01/hu-mho012517.php
[2] http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1749590
[3] http://www.sciencealert.com/physicists-achieve-early-stages-of-a-new-solid-state-of-hydrogen
[4] http://www.sciencealert.com/physicists-have-achieved-superconductivity-in-a-non-superconductive-material
[5] http://www.nature.com/news/metallic-hydrogen-hard-pressed-1.10817
[6] http://www.sciencealert.com/scientists-have-just-melted-a-solid-below-its-freezing-point
[7] http://www.sciencealert.com/physicists-have-created-a-new-form-of-hydrogen
[8] http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/25/science.aal1579?utm_source=SciPak%20%28updated%201/19/2017%29&utm_campaign=6126566893-EMAIL_CAMPAIGN_2017_01_19&utm_medium=email&utm_term=0_10c5e799a3-6126566893-126625361

Görseller
http://www.sciencealert.com/hydrogen-has-been-turned-into-a-metal-for-the-first-time-ever