Eksperiment s rentgenskim laserima u europskom postrojenju XFEL doveo je do stvaranja stabilnog zlatnog hidrida, tvari koja postoji samo pri tlakovima većim od 40 gigapaskala. Ovo otkriće otvara potpuno novi prozor u razumijevanje gustog vodika kakav se nalazi u unutrašnjosti planeta i u plazmama. Međunarodni tim istraživača promatrao je nešto što se, pri standardnoj temperaturi i tlaku, činilo gotovo kao kemijska heretičnost.
Zlato, metal koji se koristi upravo zato što „ne reagira“, uspjelo se spojiti s vodikom i formirati čvrsti spoj u ekstremnim uvjetima. Rezultat je zlatni hidrid koji se pojavljuje iznad 40 gigapaskala i na tisućama stupnjeva Celzija, što su uvjeti usporedivi s onima duboko u Zemljinu plaštu. Otkriće se dogodilo u postavu prvotno namijenjenom za nešto sasvim drugo.
Zlatni hidrid pod ekstremnim tlakom
U postaji za visoku gustoću energije europskog XFEL-a u Njemačkoj, istraživači su komprimirali mikrokapljice ugljikovodika u dijamantnoj ćeliji i zagrijavali ih impulsima rentgenskih zraka koji su pogađali tanku zlatnu foliju. Cilj je bio pratiti prijelaz ugljika u dijamant, no signali difrakcije otkrili su da zlato, umjesto da bude samo pasivni apsorber, mijenja svoju kristalnu strukturu zbog ulaska vodika u njezinu mrežu.
Eksperimentalni dokazi ukazuju na heksagonalnu fazu u kojoj se vodik smješta u prazne prostore mreže atoma zlata. Njegov udio raste s tlakom, postižući stehiometriju tipa Au₂Hₓ. Autori znanstvenog rada smještaju formiranje ovog spoja iznad 40 gigapaskala i na oko 2.200 Kelvina. Ono što najviše iznenađuje nije samo činjenica da zlato „prihvaća“ vodik, već da to čini u režimu u kojem svakodnevna kemija više ne vrijedi kao vodič.
Superionski vodik i vodljivost
U promatranoj fazi, vodik se ne ponaša kao nepomični gost. Timovi opisuju „superionsko“ stanje u kojem se atomi vodika kreću s velikom lakoćom kroz čvrstu mrežu zlata, što je povezano s povećanom vodljivošću. Slika koja proizlazi iz eksperimenta je ona čvrstog tijela s mobilnom podstrukturom, nešto o čemu se obično raspravlja kod materijala bogatih vodikom, a ovdje se neobično pojavljuje u spoju koji sadrži zlato.
Ova mobilnost je metodološki važna. Vodik vrlo slabo raspršuje rentgenske zrake, pa njegovo „viđenje“ zahtijeva posredne metode. Strategija eksperimenta sastoji se u čitanju njegove prisutnosti i dinamike kroz način na koji se deformira i razvija mreža zlata, što ostavlja jasan trag u obrascima disperzije.
Od laboratorijskih dijamanata do divovskih planeta
Polazni kontekst bila je kemija ugljika pod visokim tlakom, polje s industrijskim i geofizičkim granama. Taj put je i dalje prisutan u podacima, jer je tim potvrdio formiranje dijamanata u predviđenim uvjetima. No, epizoda sa zlatom i vodikom skreće pozornost na šire pitanje: koja stanja zauzima vodik kada je komprimiran do ekstremnih gustoća i kako se kreće u čvrstim ili polučvrstim medijima?
Ova se vijest izravno povezuje s interesom za unutrašnjost planeta poput Jupitera, gdje se predviđa prisutnost vodika u gustim i vodljivim oblicima. Paralelno s tim, razumijevanje ponašanja vodika u ekstremnim uvjetima ključno je i za budućnost nuklearne fuzije. Projekti poput britanskog plana o fuzijskoj energiji ili kineskih istraživanja „umjetnih sunca“ iz 2025. godine ovise o ovakvim temeljnim otkrićima u fizici materijala.
Infrastruktura koja omogućuje novu kemiju
Eksperiment se oslanja na kombinaciju alata koji mijenjaju mjerila istraživanja. Dijamantna ćelija omogućuje održavanje golemih tlakova u sićušnim volumenima, dok laser sa slobodnim elektronima daje ultrakratke impulse rentgenskih zraka koji istovremeno zagrijavaju uzorak i mjere njegovu kristalnu strukturu u trenu. Njemački DESY opisuje ovaj rad kao savršen primjer kako fizika visoke gustoće energije može otkriti prolazne faze, stabilne samo dok se održava tlak.
U praktičnom smislu, ovaj hidrid se pojavljuje s toplinom i kompresijom, a raspada se kada se sustav ohladi i uvjeti popuste. Sljedeći korak znanstvenika je dvostruk: s jedne strane, precizno mapiranje stabilnosti spoja, a s druge, provjera koliko je ova metoda korisna za istraživanje drugih metala i njihovih mješavina s vodikom.
