هیدروژن فلزی شکل عجیب و غریب این عنصر است که پس از 80 سال بعد از پیش‌بینی‌ فیزیکدانان، ساخت آن به واقعیت بدل شد. هیدروژن فلزی حتی در دماهای پایین نیز رسانای الکتریسته است.

دانشمندان توانسته اند هیدروژن فلزی را با فشردن آن در فشار بالا بین دو الماس فوق‌ خالص تولید کنند. در این راستا نظریه های مختلفی پیش بینی می کنند که شاید به توان از هیدروژن فلزی به‌ عنوان سوخت فوق‌العاده قدرتمند و سبک برای موشک‌ها استفاده کرد.

هیدروژن فلزی گریزپای

در سال 1935، دو فیزیکدان به‌ نام‌های وینگر و بل، پیش‌بینی کردند که در فشارهای بسیار بالا، حدود 25 گیگاپاسکال (یعنی حدود 246 هزار بار بیشتر از فشار اتمسفر)، پیوندهای عادی بین اتم‌های هیدروژن‌های فلزی می‌شکند و الکترون‌ها می‌توانند آزدانه حرکت کنند. به زبان ساده، یک ماده‌ی شفاف به ماده‌ای براق تبدیل می‌شود؛ یعنی همان ویژگی‌هایی که از یک فلز انتظار داریم. در واقع ما فلز را به‌ صورت ماده‌ای تعریف می‌کنیم که حتی وقتی آن را تا پایین‌ترین دماهای ممکن (یعنی نزدیک صفر مطلق)، سرد کنیم، باز هم قادر به هدایت مقدار معینی از الکتریسیته هستیم.

بعدا تحقیقات نشان دادند که برای چنین تبدیلی، فشارهای بسیار بالایی (نزدیک به فشار موجود در هسته یک سیاره) لازم است. هیدروژن فلزی، به سودای فیزیکدانان تبدیل شد و جام مقدس فیزیک لقب گرفت. مقاله‌های بسیار زیادی در زمینه فیزیک و شیمی نظری منتشر شدند که هر یک فشار بحرانی متفاوتی را برای این تبدیل، پیش‌بینی می‌کردند. به‌مرور محققان، راه‌هایی برای دستیابی به فشارهای بالا و بالاتر، پیدا کردند، اما هیچکس نتوانست به فشار لازم برای هیدروژن فلزی دست یابد. مشکل این بود: چه ماده‌ای می‌تواند آنقدر فشار ایجاد کند که اتم‌های هیدروژن را به‌اصطلاح، له کند؟

چالش‌های ساخت هیدروژن فلزی

محققان برای پاسخ به این سوال، به سراغ قدرتمندترین ماده دنیا رفتند: الماس! اما حتی الماس هم در فشارهای بسیار زیاد برای تولید هیدروژن فلزی، می‌شکند! بنابراین دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای محکم‌تر کردن الماس گشتند. در واقع آنها در جستجوی سیستمی بودند که فاقد عوامل شکننده الماس باشد. الماس‌هایی که به طور طبیعی از زمین، استخراج می‌شوند، دارای ناسازگاری‌هایی در ساختار درونی‌شان هستند؛ بنابراین دانشمندان تصمیم گرفتند از الماس‌های سنتری یا ساختگی استفاده کنند که فاقد چنین ناسازگاری‌هایی هستند.

راه اصلی برای صیقل‌دادن الماس،‌ استفاده از پودر الماس است، اما این روش می‌تواند باعث بیرون‌زدگی برخی از اتم‌های کربن از صفحه شبکه‌ای الماس شده و در واقع نوعی نقص ساختاری را ایجاد کند. این نقص ساختاری، باعث شکنندگی الماس شده و در نتیجه مطلوب نیست. در نتیجه دانشمندان از یک روش جایگزین، یعنی یک فرآیند شیمیایی برای نازک‌کردن لایه سطحی (یا همان صیقل دادن) استفاده کردند که نقص ساختاری ایجاد نمی‌کرد. این پایان مشکلات نبود! مشکل دیگر این بود که در چنین فشار بالایی، گاهی اتم‌های هیدروژن به درون الماس‌ها نفوذ کرده و باعث شکستن آنها می‌شدند. دانشمندان برای جلوگیری از بروز چنین مشکلی، الماس‌ها را با یک لایه آلومینیوم، پوشاندند.

در نهایت، کل سیستم تا دمای هلیوم مایع، یعنی 269- درجه سانتیگراد سرد شد و الماس‌ها، نمونه‌ی کوچک هیدروژن جامد را به‌شدت فشرده کردند. با افزایش فشار، ملکول‌های هیدروژن، شروع به تغییر رنگ کردند. هیدروژن شفاف، تبدیل به هیدروژن درخشان و براق شد. آزمایش‌های تکمیلی،‌ تایید کردند که این همان جام مقدس فیزیک یعنی هیدروژن فلزی است! اگر می‌پرسید بیشترین فشار به‌کار رفته در این فرآیند چه بود، باید بگویم، فشاری بیشتر از فشار موجود در هسته زمین: 495 گیگاپاسکال!