Experiment s diamanty a extrémním stlačováním vodíku. Kredit: Philip Dalladay-Simpson & Eugene Gregoryanz.

Vodík je ten nejjednodušší a také nejběžnější prvek ve vesmíru. Známe ho v celé řadě podob, od plynného molekulárního vodíku, až po pevný vodík, který se tvoří při teplotách nižších než bod tání vodíku, čili mínus 259,14 stupňů Celsia. Jednu z docela slavných podob vodíku jsme ale ještě nikdy neviděli. Jde o takzvaný kovový vodík (anglicky metallic hydrogen), který se chová jako elektrický vodič. Přesněji řečeno, měl by se tak chovat. Kovový vodík byl totiž teoreticky předpovězen už v roce 1935, zatím ale ještě nikdy nebyl spolehlivě pozorován. Od té doby se kovový vodík stal vytouženým cílem materiálových vědců.

Eugene Gregoryanz. Kredit: University of Edinburgh.

Je pěknou ironií, že ve Sluneční soustavě by měl být kovový vodík ve skutečnosti docela běžný. Pokud jsou naše předpoklady správné, tak by měl existovat v ohromném množství, pevný anebo možná kapalný, v nitru velkých plynných obrů, jako jsou ve Sluneční soustavě Jupiter a Saturn. Jenže tam se asi ještě dlouho nepodíváme. Průnik do plynných obrů bude vyžadovat z dnešního pohledu extrémní technologie. Není ale důvod se oddávat smutku. Zatím se můžeme pokusit prozkoumat kovovou fázi vodíku v pozemských laboratořích.

S velkou vervou se do toho pustili v Centru vědy extrémních podmínek skotské Univerzity v Edinburghu. Eugene Gregoryanz a jeho kolegové během experimentu pomocí dvou diamantů stlačovali dvouatomové molekuly vodíku (H2), vodíku s deuteriem, čili těžkým vodíkem (HD) a deuteria (D2), za vzniku velice extrémních tlaků, a sledovali, co se bude dít. Dělali to při pokojových a o něco vyšší teplotách, a tlak se jim v experimentu vyšplhal až na 388 gigapascalů (GPa), což odpovídá jen obtížně představitelným téměř 4 milionům atmosfér. Experimenty Gregoryanzova týmu natolik nadchly redakci prestižního Nature, že jim věnovali titulní stránku nového vydání časopisu.

Ramanova spektroskopie extrémně stlačeného vodíku. Kredit: Philip Dalladay-Simpson & Eugene Gregoryanz.

Gregoryanz a spol. zjistili, že když tlak dosáhne 325 GPa za pokojové teploty, tak molekuly vodíku (H2) a vodíku s deuteriem (HD) vstoupí do nové, doposud neznámé fáze velmi hustého vodíku, kterou pojmenovali fáze V. Pro molekuly tvořené deuteriem (D2) fázi V sice nepozorovali, očekávají ale, že se objeví při tlaku nad 380 GPa. Jak na to Gregoryanz s kolegy vlastně přišli? Extrémně stlačený vodík pozorovali pomocí měření Ramanových spekter přímo v místě stlačení vodíku.

Vrstva kovového vodíku uvnitř Jupiteru znázorněna šedivě. Kredit: NASA / R.J. Hall.

Podle profesora Pavla Matějky, šéfa Ústavu fyzikální chemie Fakulty chemicko-inženýrské VŠCHT v Praze, je „Ramanova spektroskopie metodu vibrační spektroskopie, takže zkoumá vzájemné kmity atomů v molekulách a krystalech. Zjednodušeně řečeno, poloha pásu v Ramanově spektru závisí na hmotnosti společně kmitajících atomů, na síle vazeb mezi nimi a na jejich prostorovém uspořádání. Intenzita pásu souvisí se změnou polarizovatelnosti (v jistém smyslu „rozložením náboje“) během kmitů a šířka pásu odráží pravidelnost uspořádání (v pravidelných krystalech a u rigidních vazeb jsou pásy úzké, zatímco v amorfních materiálech a u rozvolněných struktur jsou pásy široké).“

Jak uvádí prof. Matějka, „autoři sledovali jak posuny pásů, tak i změny intenzity a šířky pásů. Je zřejmé, že v dané oblasti tlaků pozorovali dobře prokazatelné změny, a to všech tří zmiňovaných parametrů, což svědčí o změně střední vzdálenosti mezi atomy vodíku (resp. vodíku a deuteria) a změně síly vazby i míry uspořádanosti systému. Tyto změny mohou indikovat fázovou změnu v systému.“ Prof. Matějka souhlasí s tím, že změny Ramanových spekter jsou evidentní,. Také ale přitakává opatrnému vyjádření Gregoryanze a spol., že je nesmírně lákavé, ale v tuto chvíli stále ještě nadmíru spekulativní interpretovat fázi V jako počátek tolik hledané nemolekulární kovové formy vodíku. Sám prof. Matějka vnímá studii Gregoryanze a spol. jako velkou výzvu a mocný impuls k detailnímu výzkumu „velmi hustého vodíku“ fáze V dalšími fyzikálními a chemickými metodami. Tak směle do toho.

Video:  Scientists Try to Make Metal Hydrogen With Diamond Press


Literatura
University of Edinburgh 7. 1. 2016, Nature 529: 63-67, Wikipedia (Metallic hydrogen).