Hidrojen normal koşullarda bir metal değildir, ancak bilim insanları yeni bir süper iletken yapmak için yüksek basınç altında metalik hidrojen oluşturmaya çalışıyorlar. Peki bu mümkün müdür?
Hidrojen, sembolü H, atom numarası 1 olan kimyasal bir element. Standart sıcaklık ve basınç altında renksiz, kokusuz, metalik olmayan, tatsız, oldukça yanıcı ve H2 olarak bulunan bir diatomik gazdır. 1,00794 g/mol'lük atomik kütlesi ile tüm elementler arasında en hafif olanıdır. Periyodik cetvelin sol üst köşesinde yer alır. Hidrojenin adı, Yunancada "su oluşturan" anlamına gelen ὑδρογόνο'dan (idrogono) kelimesinden gelir. Hidrojen, doğada bulunan en yaygın ve en hafif elementtir. Su moleküllerinin, canlıların ve fosil maddelerin yapı taşı olarak bulunur. Hidrojen, aynı zamanda diğer kaynaklardan üretilen enerjiyi depolamak ve iletmek için bir enerji taşıyıcısı olarak da kullanılabilir.
Gaz formunda olan bir elementin, metal olarak kullanılması mümkün müdür?
Metaller genel tanımıyla, elektriği ve ısıyı iletme yeteneğine sahip olan parlak maddelerdir. Hidrojen ise renksiz ve kokusuz olan gaz formunda bir elementtir. Metal elementleri düşündüğümüzde hidrojen aklımıza gelmez. Ancak 1800’lerin sonlarından beri fizikçiler metalik hidrojenin teorik olarak belirli koşullarda oluşabileceğine inanıyorlar.
Bu teori, güneş sisteminde metalik hidrojenin bulunmasıyla gündeme geldi. Jüpiter’in iç kısmının metalik hidrojen olduğuna inanılıyor. Jüpiter’deki gaz yığınının içerisindeki yoğun basınç, hidrojen gazını süper iletken bir metale dönüştürüyor. Ancak Dünya’daki deneysel zorluklar, metalik hidrojeni yaklaşık bir yüzyıl boyunca bulunması zor bir hale getirmektedir.
1935'te, katı hal fizikçileri Eugene Wigner ve Hillard Bell Huntington, The Journal of Chemical Physics'te hidrojenin yüksek basınç altında metalik olabileceğini öne süren bir makale yayımladılar. Bunun, deniz seviyesindeki atmosfer basıncının 250.000 katı olan 25 gigapaskalda (GPa) gerçekleşeceğini varsaydılar. Fizik profesörü Eugene Gregoryanz ise bu varsayımın, hidrojeni metalik bir duruma ulaştırmak için gereken yüksek basıncın oldukça altında olduğunu belirtti.
Yıllar geçtikçe birçok araştırma grubu metalik hidrojen ürettiğini iddia etmiştir, ancak sonuçları zayıf ölçümlerle açıklamışlardır. 2017’de Science Dergisinde yayınlanan araştırmada, 495 GPa'da metalik hidrojen üretildiği iddia edildi. Ancak basınç ölçümlerini nasıl kalibre ettikleri, gözlemlerini karşılaştırdıkları modeller ve tekrarlanabilirlik eksiklikleri nedeniyle araştırma şüphe uyandırdı.
Nature Physics Dergisinde yayınlanan 2019 tarihli bir araştırma, 350 GPa'da yarı metalik hidrojen bildirdi. Bu yüksek basınçlı deney, hücre tabanlı elmaslar yardımıyla yapılmıştı. Bu teknikle yoğun hidrojen gazı veya sıvı gaz küçük bir kutuya yükleniyor ve bilinen en sert malzeme olan iki elmas arasında sıkıştırılıyordu.
Hidrojenin yalnızca bir elektronu olmasına rağmen, iki hidrojen atomu iki eşleşmemiş elektron tarafından bir arada tutulduğunda doğal olarak H2'yi oluşturur ve kovalent bir bağ oluşur. Hidrojen molekülleri sıkıştırıldıkça iki atom arasındaki kuvvet bir yay gibi titreşmeye başlar. Bu titreşimlerin frekansı artar, yani atomlar birbirine yaklaşır. Bu noktada atomlar arasındaki mesafe o kadar azdır ki moleküller katı hidrojene dönüşür. 1979'da bu olay üzerinden, 5,5 GPa basınçta ve oda sıcaklığının biraz üzerinde katı bir hidrojen elde edildi. Ancak bilim insanları basıncı artırınca, frekans azalmaya başladı ve atomlar birbirinde uzaklaştı.
1980 yılında Physical Review Letters Dergisinde yayınlanan bir araştırma ile bu sorunu çözmeye çalıştılar. Araştırmacılar, basınç artmaya devam ederse, hidrojen atomları arasındaki bağın sonunda kopacağını ve tek değerlik veya en dıştaki elektrona sahip saf bir alkali metal oluşturacağını hesapladı. Alkali metaller katılara bağlanır ve elektriği iletmek için değerlik elektronlarını paylaşırlar. Yayınlanan makalede, hidrojen atomlarının doğal olarak kimyadaki en güçlü bağlardan birine sahip olan H2 molekülünü oluşturduğunu belirttiler. Yalnızca yüksek basınç (33 GPa'nın üzerine çıkmak gibi) veya düşük sıcaklıklar bu bağı kırarak bir alkali metal oluşturabilir. Lityum ve sodyum gibi alkali metaller periyodik tablonun birinci grubunda hidrojenin hemen altında bulunur. Güçlü bazlar veya alkaliler oluşturmak için suyla reaksiyona girerler.
40 yılı aşkın sürenin ardından metal hidrojen araştırmaları oldukça yavaş ilerliyor. Metal hidrojen deneyi yapmak gerçekten çok zor, çünkü yapılar bazen kırılıyor, en yüksek basınçlara ulaşamıyor veya ölçüm yapamayacak kadar küçük numuneler elde edilebiliyor. Hidrojenler arası kovalent bağın gücü ve hassasiyeti çalışmaların gidişatını zorlaştırıyor. (Hidrojenler arasında hidrojen bağı yoktur, burada oluşan kovalent bağı hidrojen bağı ile karıştırılmamalıdır. Hidrojen bağı yalnızca F,O,N elementleri ve H arasında oluşur.) Yine de bilim insanları katı metalik hidrojen üretiminin çok uzağında değil.
Araştırmacılar, başka bir çalışmada hidrojen numunesinde bir kararma gözlemledi, bu "bant aralığının" kapandığını gösteriyordu. Bant aralığı, iletim bölgesi ile değerlik bandı arasındaki boşluktur. İletim bölgesinde ise elektronlar serbestçe hareket eder ve elektrik akımı üretir. Metallerde iletim bölgesi ile valans bandı arasındaki boşluk örtüşür ve elektriksel iletkenlik oluşturur. Araştırmada çalışan bilim insanı Gregoryanz, "Bu metalik durumun özellikleri bence metalin kendisinden bile daha ilginç." demiştir. Bu fikirle, hidrojenin metalik formunda sıvı olacağını ve süper iletken olabileceğini öngörmektedir.
Süperiletkenler manyetik alan çizgilerinin yönünü değiştirebilir. Hidrojen süperiletken oluşturduğu bir metalin elektriksel direncini sıfırlayabilir ve manyetik değişim alanlarının ortadan kalkmasını sağlayabilir. Meisner etkisi, süperiletken malzemelerin süperiletken durumdayken (sıcaklığı kritik sıcaklığın altındayken) manyetik alanı dışlamasıdır. Harici bir manyetik alanın şiddeti, süperiletken bir malzemenin içine girdikten çok kısa bir mesafe sonra sıfıra düşer.
Gregoryanz, saf metalik hidrojenin mevcut teknolojik yeteneklerin ötesinde olması nedeniyle hidrojen süper iletkenlerinin yakın zamanda endüstride kullanılacağını düşünmüyor. Gregoryanz da dahil olmak üzere pek çok bilim insanı, çabalarını bir metal ve hidrojenden oluşan hidritlere odaklıyor. Bu numuneler hala çok küçük ancak hidritler aslında saf hidrojenin gerektirdiğinden çok daha düşük basınçlar altında çalışan süper iletkenlerden oluşuyor. Hidritler, "XmHn" genel formülüne sahip diğer elementlerle bağlantılı hidrojen atomlarından oluşan bileşiklerdir. Sadece iki elementten oluşurlar. Molekülde bulunan diğer elementin elektronegatifliğine bağlı olarak salin, kovalent ve metalik hidritleri ayırt edebiliriz. Ancak bu baskılar hala endüstride kullanılamayacak kadar yüksek olabilir. Fakat fiziksel bir olay olarak kesinlikle büyüleyicidir. Süper iletkenler çağını merakla bekliyoruz.
