Zaskoczenie w laboratorium, czyli jak przypadkiem doszło do przełomu
Podczas eksperymentów w ośrodku European XFEL w Niemczech naukowcy wykorzystali cienką folię złota jako element pomocniczy. Miała ona absorbować promieniowanie rentgenowskie i podgrzewać badane próbki. Ku ogólnemu zaskoczeniu, oprócz diamentów oczekiwanych przez badaczy, zaobserwowano powstawanie zupełnie nowego związku. Był nim wodorek złota.
To było nieoczekiwane, ponieważ złoto jest zazwyczaj chemicznie bardzo nudne i niereaktywne – dlatego używamy go jako absorbentu promieni rentgenowskich w tych eksperymentach — wyjasnia Mungo Frost, główny autor badania
Warunki, w których powstał związek, przypominają raczej wnętrze planety niż laboratorium. Potrzebne było ciśnienie przekraczające 40 gigapaskali (około 400 tysięcy razy wyższe niż atmosferyczne) i temperatura powyżej 1900 stopni Celsjusza. Tak ekstremalne parametry osiągnięto dzięki diamentowym kowadłom i potężnym impulsom lasera rentgenowskiego. Bez wątpienia uczestnicy projektu dysponowali instrumentami bardziej zaawansowanymi niż te, do których ma dostęp przeciętny zjadacz chleba.
Czytaj też: Nielokalność kwantowa bez splątania? Fizycy nie rozumieją, jak to możliwe
Najciekawszym aspektem odkrycia okazała się struktura nowego związku. W tych ekstremalnych warunkach wodór przechodzi w stan superjonowy, co oznacza, iż jego atomy swobodnie przemieszczają się przez sztywną, sześciokątną siatkę atomów złota. To niezwykłe zjawisko znacząco zwiększa przewodnictwo elektryczne materiału. Stechiometria związku okazała się zmienna: współczynnik x rósł od zera wraz ze wzrostem ciśnienia z 40 do 80 GPa. Im większy ucisk, tym więcej atomów wodoru wnikało w strukturę metalu. Frost porównuje rolę złota do świadka śledzącego to, co robi wodór.
Coś więcej niż ciekawostka z laboratorium
Niestety, wodorek złota to związek wyjątkowo kapryśny. Gdy temperatura spada do pokojowej (około 22 stopni Celsjusza), struktura natychmiast się rozpada, a złoto wraca do swojej zwyczajnej formy. To mocno ogranicza praktyczne zastosowania – przynajmniej na obecnym etapie badań. I choć wodorek złota może wydawać się jedynie naukową ciekawostką, to jego znaczenie wykracza poza mury laboratorium. Stan superjonowy wodoru występuje naturalnie we wnętrzach gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz czy Saturn. Badania w kontrolowanych warunkach mogą więc pomóc w zrozumieniu procesów zachodzących w odległych światach.
Równie ważny jest potencjalny wpływ na badania nad fuzją jądrową. Zrozumienie zachowania wodoru w ekstremalnych warunkach jest kluczowe dla odtworzenia procesów zasilających gwiazdy. Sami zainteresowani mówią o ogromnym potencjale w zakresie wykrywania nowej chemii występującej, gdy temperatury i ciśnienia stają się naprawdę ekstremalne. W takich okolicznościach możliwe staje się tworzenie egzotycznych związków. Badacze podkreślają też rolę symulacji komputerowych, które znakomicie odtworzyły wyniki eksperymentów. To wskazuje na możliwość modelowania innych niezwykłych materiałów bez konieczności tworzenia kosztownych instalacji badawczych za każdym razem.
Czytaj też: Trzęsienia ziemi napędzają ukryte ekosystemy. Chińscy naukowcy obalają fundamentalną teorię biologii
Odkrycie pokazuje, jak niewiele wciąż wiemy o zachowaniu materii w skrajnych warunkach. Naukowcy wykonali pierwszy krok w kierunku zupełnie nowego rozdziału chemii, gdzie tradycyjne reguły przestają obowiązywać. Choć praktyczne zastosowania wodorku złota są na razie odległą perspektywą, sam fakt jego istnienia zmusza do przewartościowania naszych podstawowych założeń o zachowaniu pierwiastków. I nawet jeśli egzotyczne związki tworzone w warunkach laboratoryjnych rzadko w szybkim tempie znajdują zastosowania komercyjne, to każde takie odkrycie jest cenne z punktu widzenia nauki.