Po viac ako 80 rokoch snahy vedci z Harvardovej univerzity ohlásili, že sa im podarilo pripraviť kovový vodík. Otázkou však zostáva, či je možné informácii veriť.
Ak vaše spomienky na hodiny stredoškolskej chémie ešte neodvial čas, možno si matne vybavíte, že vodík je najľahším a zároveň najviac zastúpeným prvkom vo vesmíre. Za bežných podmienok panujúcich na Zemi je v plynnom skupenstve. Ochladením na teplotu -253 °C (20 K) je ho ale možné skvapalniť, a pri teplote -259 °C (14 K) dokonca aj zmraziť. Vo svojej kvapalnej forme sa potom jeho použitie obmedzuje najmä na raketový priemysel, a výhľadovo by snáď mohol slúžiť ako alternatíva k fosílnym palivám.
Podľa aktuálnych poznatkov teoretických fyzikov je však vodík schopný nadobúdať aj iné, oveľa exotickejšie, podoby, o ktorých sa stredoškolské učebnice zatiaľ síce nezmieňujú, o to dôležitejšiu úlohu by však v budúcnosti mohli hrať. Jedným z nich je aj vodík v podobe kovu.
Najbežnejší kov pod Slnkom, ktorý nikto nevidel
Prvé zmienky o možnej existencii kovového vodíka siahajú až do roku 1935, kedy Eugene Wigner spoločne s Hillardom B. Huntingtonom predpovedali, že atómy vodíka stlačené k sebe enormnou silou by mali uvoľniť elektróny zo svojich elektrónových obalov a vytvoriť nový materiál, pripomínajúci svojimi vlastnosťami kov. Tlak potrebný na uskutočnenie premeny odhadli na 25 gigapascalov (GPa), teda zhruba 250 000-krát vyššia ako je tlak zemskej atmosféry pri hladine mora a cca 230-krát vyššia ako na dne Mariánskej priekopy. Neskoršie detailnejšie výpočty ho potom dokonca ešte dvadsaťkrát navýšili na ťažko predstaviteľných 400 až 500 GPa.
Sny vtedajších materiálových fyzikov o príprave kovového vodíka v laboratóriu tak boli na dlhú dobu odložené na neurčito. Ich úsilie však nepoľavilo a získané skúsenosti spolu s postupne sa zlepšujúcou technikou ich začali postupne približovať k cieľu. Počas posledných tridsiatich rokov sa tak fyzikom na ceste ku kovovému vodíku podarilo popísať dokonca niekoľko nových typov usporiadaní pevného vodíka, ktoré sa vyskytujú iba za extrémne vysokých tlakov.
Nepriame dôkazy potvrdzujúce pôvodné domnienky trochu nečakane prišli aj zo vzdialeného tábora planetológov. Tí vďaka dátam z vesmírnych sond ukázali, že podmienky potrebné na jeho vznik panujú hlboko vo vnútri plynných obrov, ako je Jupiter alebo Saturn, ktorých jadro by malo byť tvorené z veľkej časti práve kovovým vodíkom. Paradoxne by sa tak najbežnejším kovom v Slnečnej sústave stala látka, ktorá sa na Zemi nikde nenachádza a ktorú túžili aspoň krátko uvidieť už celé generácie fyzikov.
Kovový vodík by mal byť dokonalý vodič elektriny
Za snahou po vytvorení kovového vodíka nie je len nepraktická vášeň po poznaní. Niektoré teoretické štúdie totiž predpovedajú, že kovový vodík by sa mohol v pevnom skupenstve správať ako supravodič. Teda dokonalý vodič elektriny, ktorého štruktúrou sa môžu elektróny pohybovať bez straty energie. Navyše na rozdiel od doteraz popísaných supravodičov by si kovový vodík mal zachovať túto vlastnosť aj pri izbovej teplote. A keď by vás supravodičové aplikácie omrzeli (a dokázali by sme ho vyrábať dostatočne lacno), mal by slúžiť okrem iného aj ako skvelé raketové palivo (o tom si viac prečítajte v tejto práci).
Hoci tieto predpovede nebolo doteraz možné žiadnym spôsobom prakticky potvrdiť, všetko sa môže veľmi skoro zmeniť. Minulý týždeň bol totiž v prestížnom vedeckom časopise Science publikovaný článok, v ktorom harvardskí fyzici Ranga P. Dias a Issac F. Silvera ohlásili úspešný prielom pri príprave kovového vodíka v laboratóriu. (Výsledky sa už vlani v októbri objavili na serveri arXiv.org, avšak pred publikáciou v Science prešli ďalšie peer-review kontrolou, ktorá má odhaliť prípadné chyby.)
Diamantová nákova
Vedci k príprave materiálu využili takzvanú diamantovú nákovu. Toto zariadenie o veľkosti väčšej plechovky od piva pripomína svojou konštrukciou miniatúrny zverák, ktorého čeľuste sú tvorené hrotmi dvoch syntetických diamantových kryštálov uložených oproti sebe. Vzorka umiestnená priamo medzi nimi je potom od svojho okolia izolovaná pomocou tesnenia z kovového rénia. Vzhľadom na to, že tlak, ktorým vynaložená sila v lise pôsobí, je nepriamo úmerný jej ploche, postačí aj relatívne malá sila vyvinutá experimentátorom na to, aby medzi hrotmi diamantových kryštálov vznikol tlak o mnoho rádov vyšší.
Aj napriek tomu, že je diamant považovaný za najtvrdší známy materiál, jeho kryštály sa stávajú pri takto vysokých tlakoch veľmi krehkými a vyžadujú preto precízne zaobchádzanie. Kľúčovým trikom, vďaka ktorému sa tímu z Harvardu podarilo prekonať konkurenčné laboratória v dosiahnutí takto vysokých tlakov, má byť dôkladné odstránenie všetkých potenciálnych porúch vnútri kryštálov. Použité diamanty preto museli byť pred použitím dôkladne vyleštené, oleptáním zbavené povrchových defektov a žíhané pri vysokej teplote na odstránenie možného pnutia. Na záver bol potom ich povrch pokrytý tenkou vrstvičkou oxidu hlinitého, ktorá mala za úlohu zamedziť prenikaniu vodíka do štruktúry diamantov a následnému krehnutiu.
Schematická podoba diamantovej nákovy. Vzorka skúmanej látky je uzavretá medzi hrotmi dvoch diamantových kryštálov. Vďaka priehľadnosti diamantov je možné sledovať správanie vzorky cez ich steny. Malé zrnko rubínového kryštálu slúži ako štandard na určenie tlaku panujúceho vnútri cely.
Počas samotného experimentu fyzici najprv ochladili celú aparatúru na teplotu -268 °C, čím vodík zmrazili do tuhého skupenstva. Potom pomocou pomalého približovania oboch diamantov na neho začali pôsobiť rastúcim tlakom. Po určitej dobe sa spočiatku priehľadný vodík najprv sfarbil do čierna a potom, pri dosiahnutí tlaku 495 GPa (päť miliónov atmosfér) získal podľa autorov výrazný kovový lesk. Viditeľné to bolo však iba pod mikroskopom, pretože pripravená vzorka zodpovedala veľkosti červenej krvinky.
Nie je všetko vodík, čo sa blyští
Špeciálne podmienky, v ktorých sa vzorka zovretá pod obrovským tlakom v diamantových čeľustiach teraz nachádza, však veľmi komplikujú jej ďalšiu analýzu. Každá manipulácia s ňou je totiž spojená s vysokým rizikom jej zničenia. Opatrným vedcom sa preto okrem merania odrazivosti zatiaľ nepodarilo akokoľvek vierohodne potvrdiť, že lesknúca sa bodka je naozaj kovový vodík a že je v očakávanom pevnom skupenstve.
Nie je preto prekvapením, že sa článok popisujúci jeho prípravu stal ihneď po svojom publikovaní terčom silnej kritiky z radov konkurenčných výskumných tímov. Tí jeho autorom vytýkajú predovšetkým nedostatok presvedčivých experimentálnych dát a malú dôveryhodnosť použitých metód. Podľa vyjadrenia geofyzika Alexandra Goncharova z konkurenčnej výskumnej skupiny pre časopis Nature napríklad nedá vylúčiť, že pozorovaný kovový lesk môže byť obyčajný artefakt, spôsobený použitou vrstvičkou oxidu hlinitého, ktorého správanie za takto vysokých tlakov nie je známe. Proti prehnaným očakávaniam v tomto odbore hovorí aj dlhá história predchádzajúcich oznámení o vytvorení kovového vodíka, ktoré sa nakoniec nepodarilo presvedčivo doložiť.
Na detaily si musíme počkať
Niektorí vedci tiež dali verejne najavo, že článok obsahuje relatívne málo detailov, ktoré by zvýšili dôveryhodnosť a umožnili jednoduchšie zopakovanie výsledku v iných laboratóriách. Samotní autori si za výsledkami stoja a sľubujú svoje pozorovania počas krátkej doby náležite podložiť ďalšími dátami.
Nezúčastnenému pozorovateľovi teda nezostáva než trpezlivo vyčkať, či sa smelé vyhlásenia tlačových správ o "dosiahnutí svätého grálu vysokotlakovej fyziky" naozaj potvrdia. Dovtedy však bude pravdepodobne najrozumnejšie pristupovať k podobne bombastickým titulkom so zdravou mierou skepsy.