Birçoğumuzun lisedeki bilgilerinden hatırlayacağı gibi, periyodik tablonun ilk ve en basit elementi olan hidrojen, aynı zamanda evrendeki en bol element olarak literatürde yer almakta. Birçok önemli özelliği bulunan hidrojen, bu özelliklerinin dışında çok önemli birkaç özelliğe daha, yani metalik özelliklere sahip olabilir mi? İşte bu kritik soru, bunun olabileceği fikrinin ortaya atıldığı senesinden beri fizik alanında çalışan bilim insanlarının kafalarını kurcalıyordu. Bilim insanları yaklaşık 80 yıldır hidrojeni metalik forma dönüştürmeyi deniyorlar, fakat her defasında başarısız oluyorlardı. Ta ki Harvard Üniversitesi Fizik Bölümü profesörlerinden Isaac F. Silvera ve arkadaşları Science dergisinde yayımladıkları makale ile bunu başardıklarını açıklayana kadar.
Metal Ne Demekti? Gelin Hatırlayalım
Bildiğiniz üzere, periyodik tablo basitçe iki kategoriye ayrılmakta: Metaller ve ametaller. Metaller, yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, kendine özgü parlaklığı olan, şekillendirilmeye yatkın elementler olarak tanımlanırken* ametaller ise iletkenlik konusunda zayıf, mat bir görünüme sahip veya azot, oksijen, hidrojen gibi renksiz elementler olarak bilinmekte. Evet, dikkat edeceğiniz üzere hidrojen de esasen bir ametal.
Resim: İşlenmemiş germanyum metal.
Peki Nasıl Olur da Hidrojen Metale Dönüşür?
Hidrojenin metale dönüşebileceği fikrini ortaya ilk atan bilim insanları bunun 25 GPa bir basınçla, yani deniz seviyesinde hissettiğimiz atmosfer basıncının bin katı ile gerçekleştirilebileceğini öne sürmüşlerdi. Bunun üzerine, bu basıncı sağlayabilmek için elmas uçlardan oluşan bir pres tasarlandı. İki elmas ucun hidrojen atomunu çok yüksek basınçlarla sıkıştırması prensibine dayanan bu pres ile 80 yılı aşkın bir süredir hidrojen, metale dönüştürülmeye çalışılıyordu.
Resim: Elmas uçlu pres sistemi.
80 yıllık başarısızlığın ardından gelen bir başarı ile bilim dünyası ilk defa metalik hidrojenin varlığına tanıklık etmenin heyecanını yaşıyor . Silvera ve arkadaşları GPa basınç (deniz seviyesinde hissettiğimiz basıncın yaklaşık 5 milyon katı) ve °C sıcaklık altında bu başarıya imza attıklarını duyurdular. Başarılarının sırrını ise buldukları yeni bir elmas parlatma yöntemi olarak açıklıyorlar. Bu parlatma yöntemi sayesinde elmas çok yüksek basınçlar altında bile çatlamıyor ve hidrojenin metale dönüşmesi için gereken basıncı sağlayabiliyor. Ekip, bu özel yöntemle parlatarak hazırladıkları bu elmaslardan oluşan pres sistemini kriyostat olarak adlandırılan bir soğutma cihazının içerisine yerleştiriyor ve iki elmas uç arasında bulunan hidrojen atomunu yavaşça sıkıştırmak için bir vida sistemi kullanıyor.
Resim: Sıkıştırılmış hidrojenin artan basınç ile saydam moleküllü (yalıtkan), ardından siyah moleküllü (yarı iletken) ve sonunda metalik hidrojene dönüşümü.
Yüksek Basınç Fiziğinin Kutsal Kasesi!
“Bu görmüş olduğunuz, dünya üzerindeki ilk ve tek metalik hidrojen numunesi, buna baktığınızda daha önce hiç var olmamış bir şeye bakıyorsunuz demektir.” şeklinde konuşan araştırma ekibinin lideri Silvera, bu buluşlarını “yüksek basınç fizğinin kutsal kasesi” olarak nitelendirmekte.
Metalik Hidrojeni Bu Kadar Özel ve Heyecan Verici Kılan Nedir?
Hidrojenin metal formu hakkındaki en önemli ve heyecan verici husus kuşkusuz, oda sıcaklığında çalışacak bir süper iletken olduğu düşünülmesi. Süper iletkenler basitçe elektriksel iletkenlikleri sonsuza ulaşan malzemeler olarak biliniyor. Süper iletken bir malzemenin üzerinden elektrik akımı herhangi bir dirençle karşılaşmadan geçebilmekte. Ancak günümüzde bilinen süper iletken malzemelerin “süper iletken davranış” gösterebilmeleri için çok düşük sıcaklıklara soğutulması gerekmekte, stabil bir süper iletken davranış için şimdiye kadar ulaşılan en yüksek sıcaklık ise °C. Laboratuvar ortamında halen test edilen en iyi süper iletken malzeme dahi °C sıcaklığın üzerinde etkinlik gösteremiyor. Süper iletken davranışın ortaya çıkabilmesi için yapılması gereken soğutma işlemleri ise bu davranışın getireceği ekonomik faydayı bir hayli azaltmakta. Eğer metalik hidrojen beklenildiği gibi oda sıcaklığında süper iletken davranış gösterebilen bir malzemeyse bilim ve teknoloji dünyası için çok ama çok önemli bir kilometre taşı olacak .
Resim: Süper iletken bir malzeme ile sağlanan manyetik levitasyon olayını gösteren bir GIF.
Silvera, aynı zamanda, buldukları bu metalik hidrojenin metastabil (yarı kararlı) olabileceğini söylüyor. Eğer metalik hidrojen metastabil ise bu, üzerindeki basınç ortadan kaldırılsa bile malzemenin metalik olarak kalmaya devam edeceği anlamına geliyor. Metastabil malzemelere en klasik örnek olarak elmas gösterilebilir. Elmas, karbonun bir metastabil formudur; yer altında çok yüksek basınçlara maruz kalan karbon, elmas formuna dönüşür ve bu basıncın ortadan kalktığı durumda bile elmas olarak varlığını sürdürür. Aynı şekilde, karbonu yüksek basınçlara maruz bırakarak yapay olarak elmas elde etmek de mümkündür.
Metalik hidrojen, aynı zamanda bu güne kadar keşfedilmiş en güçlü roket yakıtı olabilir . Roketler için günümüzde yakıt olarak yaygın bir şekilde sıvı hidrojen kullanılmakta. Kimyasal bağlarında depolanan muazzam enerji ile sıvı hidrojenin yerini alacak metalik hidrojen bu konuda da çok önemli bir dönüm noktası olacak gibi görünüyor.
Resim: Uzay mekiğinin ana motorunda kullanılmak üzere, ana gövdeye ek olarak yer alan harici bir tankta depolanmış sıvı hidrojen.
Tabii her yeni bilimsel gelişmenin ardından olduğu gibi henüz çok yeni olan bu metalik hidrojen gelişmesinin ardından da bu konuya şüpheyle yaklaşanlar bulunmakta. Bu kişilerden biri, kendisi de metalik hidrojen konusunda çalışmalar yapmakta olan bir bilim insanı olan Paul Loubeyre. Nature dergisine konuşan Loubeyre, yayımlanan makalenin ikna edici olmadığını aktardı ve henüz yeterince inandırıcı bir sonucun elde edilemediğini savundu.
Silvera ve ekip arkadaşı Dias’ın konu ile ilgili konuştuğu videoya şuradan göz atabilirsiniz: