Podczas rutynowych badań nad procesami powstawania diamentów, naukowcom udało się stworzyć coś zupełnie nieoczekiwanego. Zespół z U.S. Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory pracujący w European XFEL w Niemczech po raz pierwszy w historii wytworzył stabilny związek złota i wodoru.
Nieplanowany zwrot akcji w laboratorium
Cała historia zaczęła się od badań nad przekształcaniem węglowodorów w diamenty pod wpływem ekstremalnego ciśnienia i temperatury. Naukowcy użyli cienkiej warstwy folii złota wyłącznie jako narzędzia pomocniczego, które miało absorbować promieniowanie rentgenowskie i przekazywać ciepło do badanych węglowodorów. Nikt nie spodziewał się, że złoto, metal znany z niskiej reaktywności chemicznej, stanie się aktywnym uczestnikiem nieplanowanej reakcji.
Czytaj także: Nowy polimer pochłania dwutlenek węgla i produkuje cenne związki. Stworzyli go Polacy
Warunki eksperymentu były naprawdę skrajne. Próbki poddano ciśnieniu przekraczającemu to, które panuje we wnętrzu płaszcza Ziemi, używając do tego specjalnej komory diamentowej. Następnie ogrzano je impulsami promieni rentgenowskich do temperatur przekraczających 1926 stopni Celsjusza.
Wodór w superjonowym stanie
W tych ekstremalnych warunkach doszło do niezwykłego zjawiska. Wodór przeszedł w gęsty, superjonowy stan, w którym atomy wodoru zaczęły swobodnie poruszać się w sztywnej sieci krystalicznej złota. Analiza rozpraszania promieni rentgenowskich ujawniła, że oprócz przewidywanego powstawania diamentów, zachodziła dodatkowa reakcja prowadząca do formowania się wodorku złota.
To odkrycie było szczególnie zaskakujące ze względu na właściwości złota. Ten metal szlachetny słynie z odporności na korozję i minimalnej reaktywności chemicznej. W normalnych warunkach złoto praktycznie nie reaguje z innymi pierwiastkami, co czyni je idealnym materiałem dla jubilerstwa i elektroniki. Jednak w ekstremalnych warunkach laboratoryjnych zachowało się zupełnie inaczej.
Wodorek złota okazał się stabilny wyłącznie w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Po ochłodzeniu próbki złoto i wodór ponownie się rozdzielały, co potwierdza wyjątkowy charakter tego związku. Zwiększone przewodnictwo powstałego materiału oferuje naukowcom nowe możliwości badania zachowania materiałów w skrajnych warunkach. W tym przypadku cięższe atomy złota działają jak swego rodzaju świadkowie zachowania lżejszych atomów wodoru, które normalnie trudno obserwować za pomocą promieni rentgenowskich.
Potencjalne znaczenie odkrycia
Badanie wodorku złota otwiera nowe perspektywy w astrofizyce i fizyce materiałów. Gęsty wodór występuje we wnętrzach niektórych planet, więc jego laboratoryjne badanie może pomóc w lepszym zrozumieniu budowy odległych światów. Dodatkowo, odkrycie może dostarczyć cennych informacji o procesach fuzji jądrowej zachodzących w gwiazdach.
Symulacje komputerowe sugerują, że przy jeszcze wyższym ciśnieniu możliwe byłoby umieszczenie większej ilości wodoru w sieci krystalicznej złota. To wskazuje na potencjał tworzenia jeszcze bardziej egzotycznych związków w przyszłości, choć na razie pozostaje to w sferze teoretycznych rozważań.
Nowy rozdział w chemii
Wyniki badań, opublikowane w periodyku Angewandte Chemie International Edition, sugerują istnienie całego nowego obszaru chemii. W warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury standardowe zasady chemiczne ustępują miejsca zupełnie innym mechanizmom. W takich środowiskach efekty temperatury i ciśnienia zaczynają konkurować z konwencjonalną chemią, umożliwiając tworzenie związków niemożliwych do uzyskania w normalnych warunkach.
Opracowane przez zespół narzędzia symulacyjne można teraz zastosować do modelowania innych nietypowych właściwości materiałów. Badacze planują rozszerzyć swoje eksperymenty poza wodorek złota, eksplorując możliwości tworzenia innych niekonwencjonalnych związków.
Co dalej z tym odkryciem?
Patrząc realistycznie, minie jeszcze sporo czasu, zanim to odkrycie znajdzie praktyczne zastosowanie. Wodorek złota istnieje tylko w ekstremalnych warunkach laboratoryjnych i na razie nie wiadomo, czy da się go stabilizować w normalnych warunkach. Niemniej jednak samo istnienie takiego związku zmienia nasze rozumienie chemii złota i otwiera nowe możliwości badawcze.
Czytaj także: Promet w końcu ujarzmiony. Stworzono pierwszy stabilny kompleks jednego z najrzadszych pierwiastków świata
Przypadkowy charakter tego przełomu przypomina, że w nauce warto pozostawić miejsce na niespodzianki. Czasami najbardziej wartościowe odkrycia przychodzą wtedy, gdy najmniej się ich spodziewamy. Badania mogą w przyszłości doprowadzić do opracowania nowych materiałów o właściwościach, które dziś wydają się niemożliwe, choć na razie należy podchodzić do tych perspektyw z ostrożnym optymizmem.