ไม่ธรรมดา

ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบแรกในตารางธาตุและเป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดในจักรวาล ควรเข้าใจได้ง่าย: โปรตอนตัวเดียวที่จับคู่กับอิเล็กตรอนตัวเดียว “อะไรจะง่ายไปกว่าการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโปรตอน” ถามนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Neil Ashcroft จาก Cornell University แต่ที่ความดันสูง ฟิสิกส์ของไฮโดรเจนจะกลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนอย่างรวดเร็ว

ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ไฮโดรเจนเป็นก๊าซ 

แต่เช่นเดียวกับวัสดุอื่นๆ สภาวะที่เปลี่ยนแปลงสามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นของแข็งหรือของเหลวได้ ด้วยอุณหภูมิที่ต่ำเพียงพอหรือแรงบีบที่เพียงพอ ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนรูปร่างเป็นของแข็ง เพิ่มความร้อนในขณะที่บีบและกลายเป็นของเหลว

หากอยู่ภายใต้สภาวะที่รุนแรงกว่านั้น ไฮโดรเจนสามารถแปรสภาพเป็นโลหะได้ อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี โลหะทั้งหมดมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน: พวกเขานำไฟฟ้าเนื่องจากอิเล็กตรอนที่ไหลอย่างอิสระซึ่งสามารถไปในที่ที่พวกเขาต้องการภายในวัสดุ

ไฮโดรเจนรูปแบบแปลกใหม่

ภายใต้สภาวะปกติ ในพื้นที่ที่เล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ในแผนภูมินี้ ไฮโดรเจนเป็นก๊าซ ที่อุณหภูมิสูงมาก มันจะกลายเป็นของเหลว ที่ความดันสูง จะแข็งตัวในระยะใดช่วงหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์คาดหวังว่ามันจะกลายเป็นโลหะแข็งที่แรงกดดันที่ยังไม่ถึง 

ดัดแปลงโดย E. CONOVER และ J. HIRSHFELD

ที่มา: IF Silvera/Harvard Univ.

บีบอะไรแรงๆ ก็จะกลายเป็นโลหะ Ashcroft กล่าวว่า “แรงดันทำหน้าที่ได้ดีในการกำจัดอิเล็กตรอนภายนอก นี่คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ตั้งเป้าที่จะทำกับไฮโดรเจน: สร้างซุปข้นของอิเล็กตรอนที่เร่ร่อนในของเหลวหรือของแข็ง

เมื่อไฮโดรเจนถูกบีบอัด อะตอมจำนวนมากจะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ในขณะที่จับคู่ในโมเลกุลของไฮโดรเจนสองอะตอมแต่ละอะตอม ฟิสิกส์พื้นฐานกลายเป็นความสับสนวุ่นวาย “มันน่าทึ่งมาก สิ่งเหล่านี้ใช้การจัดเรียงที่ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อในสถานะของแข็ง” Ashcroft นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอในปี 2511 ว่าไฮโดรเจนของโลหะอาจเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ความซับซ้อนของไฮโดรเจนทำให้นักวิทยาศาสตร์หลงใหล “ไม่ใช่แค่คำถามเกี่ยวกับการทำให้เป็นโลหะเท่านั้นที่ฉันสนใจ” รัสเซลล์ เฮมลีย์ นักเคมีจากสถาบันวิทยาศาสตร์คาร์เนกีในวอชิงตัน ดี.ซี. และห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ ลิเวอร์มอร์ในแคลิฟอร์เนียกล่าว การศึกษาความซับซ้อนของพฤติกรรมของไฮโดรเจนสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ปรับความเข้าใจฟิสิกส์ของวัสดุได้

ในปี 1935 เมื่อนักฟิสิกส์ Eugene Wigner และ Hillard Bell Huntington จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันทำนายว่าไฮโดรเจนที่เป็นของแข็งที่ถูกบีบอัดจะเป็นโลหะ พวกเขาคิดว่าการเปลี่ยนไปใช้โลหะอาจเกิดขึ้นที่ความดัน 250,000 เท่าของชั้นบรรยากาศโลก นั่นอาจฟังดูเยอะ แต่นักวิทยาศาสตร์ได้บีบไฮโดรเจนให้มีความดันสูงกว่า 10 เท่า และยังไม่มีโลหะที่เป็นของแข็ง

เดิมทีนักวิทยาศาสตร์คาดว่าการเปลี่ยนแปลงนี้จะเป็นการเปลี่ยนพฤติกรรมแบบโลหะธรรมดา ไม่เป็นเช่นนั้น David Ceperley นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign กล่าว “ธรรมชาติมีโอกาสมากขึ้น” ไฮโดรเจนที่เป็นของแข็งมีอยู่หลายรูปแบบ โดยแต่ละตัวมีโครงสร้างผลึกต่างกัน เมื่อความดันเพิ่มขึ้น โมเลกุลของไฮโดรเจนเจ้าเล่ห์จะเปลี่ยนไปเป็นการจัดเรียงหรือเฟสที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ (สำหรับนักฟิสิกส์ “เฟส” ของสสารลึกกว่าสถานะปกติของของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) จำนวนเฟสของแข็งที่รู้จักของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อถึงความดันที่สูงขึ้น โดยปัจจุบันมีสี่เฟสที่เป็นที่ยอมรับกันดี ขั้นต่อไปที่นักวิทยาศาสตร์พบว่าอาจเป็นโลหะ – พวกเขาหวัง

เรื่องราวดำเนินต่อไปด้านล่างไทม์ไลน์

credit : sweetdivascakes.com sweetlifewithmary.com sweetretreatbeat.com sweetwaterburke.com tenaciouslysweet.com thegreenbayweb.com thetrailgunner.com titanschronicle.com tjameg.com travel-irie-jamaica.com