Vodík je ten nejjednodušší a také nejběžnější prvek ve vesmíru. Známe ho v celé řadě podob, od plynného molekulárního vodíku, až po pevný vodík, který se tvoří při teplotách nižších než bod tání vodíku, čili mínus 259,14 stupňů Celsia. Jednu z docela slavných podob vodíku jsme ale ještě nikdy neviděli. Jde o takzvaný kovový vodík (anglicky metallic hydrogen), který se chová jako elektrický vodič. Přesněji řečeno, měl by se tak chovat. Kovový vodík byl totiž teoreticky předpovězen už v roce 1935, zatím ale ještě nikdy nebyl spolehlivě pozorován. Od té doby se kovový vodík stal vytouženým cílem materiálových vědců.
Je pěknou ironií, že ve Sluneční soustavě by měl být kovový vodík ve skutečnosti docela běžný. Pokud jsou naše předpoklady správné, tak by měl existovat v ohromném množství, pevný anebo možná kapalný, v nitru velkých plynných obrů, jako jsou ve Sluneční soustavě Jupiter a Saturn. Jenže tam se asi ještě dlouho nepodíváme. Průnik do plynných obrů bude vyžadovat z dnešního pohledu extrémní technologie. Není ale důvod se oddávat smutku. Zatím se můžeme pokusit prozkoumat kovovou fázi vodíku v pozemských laboratořích.
S velkou vervou se do toho pustili v Centru vědy extrémních podmínek skotské Univerzity v Edinburghu. Eugene Gregoryanz a jeho kolegové během experimentu pomocí dvou diamantů stlačovali dvouatomové molekuly vodíku (H2), vodíku s deuteriem, čili těžkým vodíkem (HD) a deuteria (D2), za vzniku velice extrémních tlaků, a sledovali, co se bude dít. Dělali to při pokojových a o něco vyšší teplotách, a tlak se jim v experimentu vyšplhal až na 388 gigapascalů (GPa), což odpovídá jen obtížně představitelným téměř 4 milionům atmosfér. Experimenty Gregoryanzova týmu natolik nadchly redakci prestižního Nature, že jim věnovali titulní stránku nového vydání časopisu.
Gregoryanz a spol. zjistili, že když tlak dosáhne 325 GPa za pokojové teploty, tak molekuly vodíku (H2) a vodíku s deuteriem (HD) vstoupí do nové, doposud neznámé fáze velmi hustého vodíku, kterou pojmenovali fáze V. Pro molekuly tvořené deuteriem (D2) fázi V sice nepozorovali, očekávají ale, že se objeví při tlaku nad 380 GPa. Jak na to Gregoryanz s kolegy vlastně přišli? Extrémně stlačený vodík pozorovali pomocí měření Ramanových spekter přímo v místě stlačení vodíku.
Podle profesora Pavla Matějky, šéfa Ústavu fyzikální chemie Fakulty chemicko-inženýrské VŠCHT v Praze, je „Ramanova spektroskopie metodu vibrační spektroskopie, takže zkoumá vzájemné kmity atomů v molekulách a krystalech. Zjednodušeně řečeno, poloha pásu v Ramanově spektru závisí na hmotnosti společně kmitajících atomů, na síle vazeb mezi nimi a na jejich prostorovém uspořádání. Intenzita pásu souvisí se změnou polarizovatelnosti (v jistém smyslu „rozložením náboje“) během kmitů a šířka pásu odráží pravidelnost uspořádání (v pravidelných krystalech a u rigidních vazeb jsou pásy úzké, zatímco v amorfních materiálech a u rozvolněných struktur jsou pásy široké).“
Jak uvádí prof. Matějka, „autoři sledovali jak posuny pásů, tak i změny intenzity a šířky pásů. Je zřejmé, že v dané oblasti tlaků pozorovali dobře prokazatelné změny, a to všech tří zmiňovaných parametrů, což svědčí o změně střední vzdálenosti mezi atomy vodíku (resp. vodíku a deuteria) a změně síly vazby i míry uspořádanosti systému. Tyto změny mohou indikovat fázovou změnu v systému.“ Prof. Matějka souhlasí s tím, že změny Ramanových spekter jsou evidentní,. Také ale přitakává opatrnému vyjádření Gregoryanze a spol., že je nesmírně lákavé, ale v tuto chvíli stále ještě nadmíru spekulativní interpretovat fázi V jako počátek tolik hledané nemolekulární kovové formy vodíku. Sám prof. Matějka vnímá studii Gregoryanze a spol. jako velkou výzvu a mocný impuls k detailnímu výzkumu „velmi hustého vodíku“ fáze V dalšími fyzikálními a chemickými metodami. Tak směle do toho.
Video: Scientists Try to Make Metal Hydrogen With Diamond Press
Literatura
University of Edinburgh 7. 1. 2016, Nature 529: 63-67, Wikipedia (Metallic hydrogen).