Buchnęło, zawrzało i zgasło
A. Mickiewicz, Dziady
Metaliczny wodór spadł jak grom z naukowego nieba, wstrząsnął mediami, by – no cóż – wyparować z
nich równie gwałtownie i to w atmosferze małego skandalu. A skoro hype opadł to
pozwólcie, że podzielę się paroma naukowo-kulturowymi spostrzeżeniami o całej
tej sprawie. Bo na pewno dotarł do was przekaz, że oto wytworzono materiał
przyszłości o niespotykanych własnościach, który odmieni oblicze energetyki itp. Cóż, metaliczny wodór – o ile naprawdę go zaobserwowano – to
fascynująca sprawa, co postaram się zaraz wyjaśnić. Lecz, niestety, opowieści o
jakimś przełomie dla ludzkości na ten moment trzeba włożyć między bajki. Co gorsze, chyba czas się zastanowić czy
rozkręcając takie medialne szaleństwa przypadkiem nie napędzamy społecznej
erozji zaufania do nauki – a jest się czego obawiać.
No dobrze, ale najpierw opowiedzmy sobie o co w tym
wszystkim z grubsza chodzi. Wodór, jak mam nadzieję wszystkich uczono na
szkolnej chemii, to najprostszy z pierwiastków, którego atom składa się z
jednego elektronu i jednego protonu. Zwykle występuje w postaci dwuatomowych
cząsteczek, spojonych tzw. wiązaniem kowalencyjnym. Naiwne wyobrażenie atomu wodoru
to elektron krążący po kołowej orbicie wokół jądra – to jednak zbyt prosty
obraz. Mechanika kwantowa mówi, że elektronu nie możemy wyobrażać sobie jako
jakiegoś dobrze zlokalizowanego w przestrzeni obiektu, ale jako pewną rozmytą
chmurę ładunku (dokładniej: rozkład prawdopodobieństwa napotkania elektronu w
przestrzeni wokół jądra). Ta chmura to tak zwany ‘orbital atomowy’. W
zależności od ‘stanu energetycznego’
atomu orbitale te mogą mieć różne kształty, ale podstawowy orbital jest
to po prostu rozmyta sfera, której średni promień możemy wyznaczyć. Skoro atom
już sobie wyobrażamy, to teraz cząsteczka. Otóż cząsteczkowy wodoru powstaje z częściowego
pomieszania orbitali od jednego i drugiego atomu. Taka uwspólniona chmura
ładunku, obejmująca oba jądra, to właśnie wiązanie kowalencyjne, nadające
cząsteczce strukturę. Taki wodór występuje w naszych ziemskich warunkach. Czym
więc jest jego metalizacja? Wróćmy do naszej wizji elektronu jako chmury
ładunku. Otóż metale charakteryzują się tym, że elektrony ‘odczepiły’ się od
jąder i utworzyły jedną wspólną chmurę ładunku (tak zwany gaz elektronowy),
rozciągającą się na całą próbkę. Ponieważ, inaczej niż w cząsteczkach, takie
elektrony nie są przestrzennie przypisane już do żadnego atomu, mogą się
swobodnie przemieszczać przez objętość próbki i stąd dobre własności
przewodnictwa elektrycznego metali. Zatem, metalizacja wodoru to próba takiego
ściśnięcia wielu dwuatomowych cząsteczek, aby spajające je elektrony odczepiły
się i stworzyły jedną wspólną chmurę. Aby coś takiego było możliwe potrzeba jednak
gigantycznego ciśnienia, rzędu 300-600GPa, co odpowiadałoby mniej więcej
naciskowi sześciu ton na centymetr kwadratowy.
A dlaczego to jest w ogóle ciekawe dla fizyków? Otóż, to
uwolnienie elektronów to tak zwane kwantowe przejście fazowe. Rozłóżmy tę nazwę
– najpierw same przejścia fazowe. Wszyscy się na co dzień z nimi stykamy, ale
prawdopodobnie mało kto zwraca uwagę na ich naprawdę ciekawe aspekty. Weźmy
takie gotowanie wody, powiedzmy w garnku. W pewnej bardzo konkretnej
temperaturze zaczyna parować cała jej objętość. Dwie rzeczy powinny nas tu
zadziwiać – po pierwsze intuicja raczej podpowiadałaby, że woda paruje ‘coraz
bardziej’ wraz ze zwiększaniem temperatury. Tymczasem, nic bardziej mylnego –
przejścia fazowe nie zachodzą ‘na raty’. Woda pozostaje ciekłą wodą aż do temperatury
wrzenia, kiedy zmiana zachodzi nagle, w całej jej objętości. To uniwersalna
cecha przejść fazowych – cząstki w układzie przechodzą do innego stanu skokowo,
wraz ze zmianą jakiegoś termodynamicznego parametru. Druga fascynująca cecha to
kolektywność takich przejść. Pomyślcie, cząsteczka wody ma niecałe 30
nanometrów średnicy, a garnek, powiedzmy 30 centymetrów. Czyli molekuły na
przeciwnych krańcach garnka dzieli odległość tak z dziesięć milionów razy
większa niż one same. Skąd więc tak odległe cząstki wiedzą, że mają
równocześnie zmienić swoje zachowanie? Na ludzkiej skali to trochę tak, jakby
próbować synchronizować swoje ruchy z kimś odległym o 10 tysięcy kilometrów. I
to stojąc do tego w gęstym, ruchliwym tłumie. Niemniej, przy przejściach
fazowych właśnie coś takiego zachodzi. Można powiedzieć, że tłum się organizuje i zaczyna działać
kolektywnie nawet na wielkich odległościach. Zjawisko takie nazywa się
‘bezskalowymi fluktuacjami’, a fakt, że dziś potrafimy opisywać i modelować
takie procesy matematycznie to jedno z największych osiągnięć fizyki XX wieku.
W kategorii ważności śmiało można je postawić koło Modelu Standardowego, ale –
niestety nie doczekało się nawet ułamka tej medialnej popularności jaka spadła
na fizykę cząstek. Pozwolę sobie na uszczypliwość – pewnie dlatego, że badania
nad przejściami fazowymi są nieporównywalnie tańsze niż budowa gigantycznych
akceleratorów, nie trzeba było więc ich tak bardzo nagłaśniać dla pozyskania
funduszy.
Teraz wreszcie o kwantowych przejściach fazowych. Mówiliśmy
już, że metalizacja – czyli właśnie kwantowe przejście fazowe – polega na
uwolnieniu elektronów ze struktury cząsteczkowej. Kolektywność i skokowość
charakteryzują również i ten proces. Czyli, przy przekroczeniu pewnego krytycznego
upakowania układu elektrony odrywają się gwałtownie od wszystkich atomów próbki
na raz. W przeciwieństwie jednak do przejść fazowych
znanych nam z codzienności, obserwacja kwantowych przejść fazowych to spore
wyzwanie. O ile na co dzień otaczają nas metale i związki preferujące strukturę
cząsteczkową, o tyle trudno znaleźć takie substancje, które dawałoby by się
przeprowadzić z jednego stanu w drugi. Mimo to, zrozumienie jak zachodzą takie
procesy jest kluczowe dla inżynierii materiałowej. Chociaż mamy już rozbudowany
opis matematyczny takich zjawisk, musimy mieć również wyniki eksperymentalne
dla możliwie prostych układów, aby sprawdzić, czy nasze teorie nie pomijają
czegoś ważnego. Uff – i właśnie dlatego metalizacja wodoru, jako najprostszego
z pierwiastków, jest tak interesująca. To jeden z tych niewielu układów, w których
możemy oglądać praktycznie czystą fizykę kwantowego przejścia fazowego, bez
zaburzeń od bardziej skomplikowanego składu próbki. To jest fundamentalny powód
dla którego warto to badać.
Inna sprawa, że nawet w wypadku wodoru sprawa bynajmniej nie
jest banalna. Raz, że wymaga manipulacji gęstością w zakresie zupełnie
wykraczającym poza ziemskie warunki. Eksperymenty takie wykonuje się ściskając
mikroskopijne próbki między diamentowymi ostrzami lub wstrzeliwując próbki w
siebie. Dwa, że informacje o zmianach struktury możemy otrzymywać tylko
pośrednio, obserwując np. przewodnictwo, albo spektrum absorpcji światła. Stąd
niekończące się spory o interpretację takich wyników. A trzeci problem to fakt,
że wodór, choć prosty, to bynajmniej nie daje się łatwo ścisnąć w metal. Zanim
do tego dojdzie przechodzi przez różne fazy pośrednie – aktualnie potwierdzono
ich już cztery, a kolejna jest analizowana. Ze wzrostem ciśnienia dwuatomowe
cząstki najpierw porządkują się w coraz bardziej upakowane struktury, dalej zaś
sama ich dwuatomowa struktura ulega zaburzeniu na rzecz bardziej egzotycznych obiektów.
Wszystko to w tak, zdawałoby się, prostym układzie!
No
dobrze, ale jestem pewien że nie taką historię usłyszeliście z mediów. W
mediach opowiadano o ‘wysokotemperaturowym nadprzewodniku’ i energetycznym
paliwie przyszłości – z jednym małym ale. I o tym ale następnym razem...
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz