Pokud vaše vzpomínky na hodiny středoškolské chemie ještě neodvál čas, možná si matně vybavíte, že vodík je nejlehčím a zároveň nejvíce zastoupeným prvkem ve vesmíru. Za běžných podmínek panujících na Zemi je v plynném skupenství. Ochlazením na teplotu -253 °C (20 K) je ho ale možné zkapalnit, a při teplotě -259 °C (14 K) dokonce i zmrazit. Ve své kapalné podobě se pak jeho použití omezuje především na raketový průmysl, a výhledově by snad mohl sloužit jako alternativa k fosilním palivům.
Podle aktuálních poznatků teoretických fyziků je však vodík schopen nabývat i jiných, mnohem exotičtějších, podob, o kterých se středoškolské učebnice zatím sice nezmiňují, o to důležitější roli by však v budoucnu mohly hrát. Jedním z nich je i vodík v podobě kovu.
Nejběžnější kov pod Sluncem, který nikdo neviděl
První zmínky o možné existenci kovového vodíku sahají až do roku 1935, kdy Eugene Wigner společně s Hillardem B. Huntingtonem předpověděli, že atomy vodíku stlačené k sobě enormní silou by měly uvolnit elektrony ze svých elektronových obalů a vytvořit nový materiál, připomínající svými vlastnostmi kov. Tlak potřebný k uskutečnění přeměny odhadli na 25 gigapascalů (GPa), tedy zhruba 250 000krát vyšší než je tlak zemské atmosféry u hladiny moře a cca 230krát vyšší než na dně Mariánského příkopu. Pozdější detailnější výpočty ho pak dokonce ještě dvacetkrát navýšily na těžko představitelných 400 až 500 GPa.
„Kovový vodík“ byl dlouho jen snem materiálových fyziků |
Sny tehdejších materiálových fyziků o přípravě kovového vodíku v laboratoři tak byly na dlouhou dobu odloženy na neurčito. Jejich úsilí ovšem nepolevilo a získané zkušenosti spolu s postupně se zlepšující technikou je začaly postupně přibližovat k cíli. Během posledních třiceti let se tak fyzikům na cestě ke kovovému vodíku podařilo popsat dokonce několik nových typů uspořádání pevného vodíku, která se vyskytují pouze za extrémně vysokých tlaků.
Nepřímé důkazy potvrzující původní domněnky trochu nečekaně přišly také ze vzdáleného tábora planetologů. Ti díky datům z vesmírných sond ukázali, že podmínky potřebné k jeho vzniku panují hluboko v nitru plynných obrů, jako je Jupiter nebo Saturn, jejichž jádro by mělo být tvořeno z velké části právě kovovým vodíkem. Paradoxně by se tak nejběžnějším kovem ve Sluneční soustavě stala látka, která se na Zemi nikde nenachází a kterou toužily alespoň krátce spatřit už celé generace fyziků.
Kovový vodík by měl být dokonalý vodič elektřiny
Za snahou po vytvoření kovového vodíku není pouze nepraktická vášeň po poznání. Některé teoretické studie totiž předpovídají, že kovový vodík by se mohl v pevném skupenství chovat jako supravodič. Tedy dokonalý vodič elektřiny, jehož strukturou se mohou elektrony pohybovat beze ztráty energie. Navíc na rozdíl od dosud popsaných supravodičů by si kovový vodík měl zachovat tuto vlastnost i při pokojové teplotě. A když by vás supravodičové aplikace omrzely (a dokázali bychom ho vyrábět dostatečně lacino), měl by sloužit mimo jiné také jako skvělé raketové palivo (viz tato práce).
Ačkoliv tyto předpovědi nebylo doposud možné žádným způsobem prakticky potvrdit, vše se může velmi brzo změnit. Minulý týden byl totiž v prestižním vědeckém časopise Science publikován článek, ve kterém harvardští fyzici Ranga P. Dias a Issac F. Silvera ohlásili úspěšný průlom při přípravě kovového vodíku v laboratoři. (Výsledky se už loni v říjnu objevily na serveru arXiv.org, ovšem před publikací v Science prošly další peer-review kontrolou, která má odhalit případné chyby.)
Diamantová kovadlina
Vědci k přípravě materiálu využili takzvanou diamantovou kovadlinu. Toto zařízení o velikosti větší plechovky od piva připomíná svou konstrukcí miniaturní svěrák, jehož čelisti jsou tvořeny hroty dvou syntetických diamantových krystalů uložených proti sobě. Vzorek umístěný přímo mezi nimi je pak od svého okolí izolován pomocí těsnění z kovového rhenia. Vzhledem k tomu, že tlak, kterým vynaložená síla v lisu působí, je nepřímo úměrný její ploše, postačí i relativně malá síla vyvinutá experimentátorem k tomu, aby mezi hroty diamantových krystalů vznikl tlak o mnoho řádů vyšší.
I přes to, že je diamant považován za nejtvrdší známý materiál, jeho krystaly se stávají při takto vysokých tlacích velmi křehkými a vyžadují proto precizní zacházení. Klíčovým trikem, díky kterému se týmu z Harvardu povedlo překonat konkurenční laboratoře v dosažení takto vysokých tlaků, má být důkladné odstranění všech potenciálních poruch uvnitř krystalů. Použité diamanty proto musely být před použitím důkladně vyleštěny, oleptáním zbaveny povrchových defektů a vyžíhány při vysoké teplotě k odstranění možného pnutí. Na závěr byl pak jejich povrch pokryt tenkou vrstvičkou oxidu hlinitého, které měl za úkol zamezit pronikání vodíku do struktury diamantů a následnému křehnutí.
Schématická podoba diamantové kovadliny. Vzorek zkoumané látky je uzavřen mezi hroty dvou diamantových krystalů. Díky průhlednosti diamantů je možné sledovat chování vzorku přes jejich stěny. Malé zrnko rubínového krystalu slouží jako standard k určení tlaku panujícího uvnitř cely.
Během samotného experimentu fyzici nejprve ochladili celou aparaturu na teplotu -268 °C, čímž vodík zmrazili do pevného skupenství. Pak pomocí pomalého přibližování obou diamantů na něj začali působit rostoucím tlakem. Po určité době se zpočátku průhledný vodík nejprve zbarvil do černa a poté, při dosažení tlaku 495 GPa (pěti milionů atmosfér) získal podle autorů výrazný kovový lesk. Viditelné to bylo ovšem pouze pod mikroskopem, protože připravený vzorek odpovídal velikostí červené krvince.
Není všechno vodík, co se třpytí
Speciální podmínky, ve kterých se vzorek sevřený pod obrovským tlakem v diamantových čelistech nyní nachází, však velmi komplikují jeho další analýzu. Každá manipulace s ním je totiž spojena s vysokým rizikem jeho zničení. Opatrným vědcům se proto mimo měření odrazivosti zatím nepodařilo jakkoliv věrohodně potvrdit, že lesknoucí se tečka je opravdu kovový vodík a že je v očekávaném pevném skupenství.
Není proto překvapením, že se článek popisující jeho přípravu stal ihned po svém opublikování terčem silné kritiky z řad konkurenčních výzkumných týmů. Ti jeho autorům vytýkají především nedostatek přesvědčivých experimentálních dat a malou důvěryhodnost použitých metod. Podle vyjádření geofyzika Alexandra Goncharova z konkurenční výzkumné skupiny pro časopis Nature například nelze vyloučit, že pozorovaný kovový lesk může být pouhý artefakt, způsobený použitou vrstvičkou oxidu hlinitého, jehož chování za takto vysokých tlaků není známé. Proti přehnaným očekáváním v tomto oboru hovoří také dlouhá historie dřívějších oznámení o vytvoření kovového vodíku, která se nakonec nepodařilo přesvědčivě doložit.
Na detaily si musíme počkat
Někteří vědci také dali veřejně najevo, že článek obsahuje relativně málo detailů, které by zvýšily důvěryhodnost a umožnily jednodušší zopakování výsledku v jiných laboratořích. Samotní autoři si za výsledky stojí a slibují svá pozorování během krátké doby náležitě podložit dalšími daty.
Nezúčastněnému pozorovateli tedy nezbývá než trpělivě vyčkat, zda se smělá prohlášení tiskových zpráv o „dosažení svatého grálu vysokotlaké fyziky“ opravdu potvrdí. Do té doby ovšem bude pravděpodobně nejrozumnější přistupovat k podobně bombastickým titulkům se zdravou mírou skepse.
