Tudomány
Véletlen felfedezés: először sikerült arany-hidrid vegyületet létrehozni
Új lehetőségek nyílhatnak meg a csillagászattól a fúziós energiáig
A kutatók eredetileg azt vizsgálták, milyen gyorsan alakulnak át a szénhidrogének (szén- és hidrogénatomokból álló vegyületek) gyémánttá extrém magas nyomás és hőmérséklet hatására. A Németországban működő European XFEL röntgenlézer segítségével végzett kísérlet során a mintákhoz aranyfóliát adtak, hogy az elnyelje a röntgensugarakat, és felforrósítsa a gyengén abszorbeáló szénhidrogéneket.
A gyémántképződés mellett azonban váratlanul arany-hidrid is keletkezett.
„Ez meglepő volt, mert az arany általában kémiailag inaktív és unalmas – éppen ezért használjuk elnyelőként az ilyen kísérletekben” – mondta Mungo Frost, a SLAC munkatársa és a tanulmány vezető szerzője.
„Az eredmények arra utalnak, hogy extrém körülmények között, ahol a hőmérséklet és a nyomás hatása verseng a hagyományos kémiai szabályokkal, egzotikus vegyületek is létrejöhetnek.”
A kutatás eredményeit az Angewandte Chemie International Edition című rangos szaklap közölte. A felfedezés új betekintést adhat abba, hogyan változik meg a kémia szabályrendszere a bolygók belsejéhez vagy csillagok magjához hasonló extrém környezetekben.
Sűrű hidrogén és szuperionos állapot
A kísérlet során a kutatók gyémántprés segítségével olyan nyomást gyakoroltak a mintákra, amely meghaladta a Föld köpenyében uralkodó értékeket. Ezt követően röntgenimpulzusokkal több mint 1900 Celsius-fokra hevítették az anyagot.
Az elhajlási mintázatok alapján beigazolódott a gyémántképződés, ám emellett a hidrogén váratlan módon reakcióba lépett az aranyfóliával, létrehozva az arany-hidridet.
A kutatók szerint ezekben a körülményekben a hidrogén úgynevezett szuperionos állapotba került: ebben az állapotban a hidrogénatomok szabadon mozognak az arany merev atomrácsában, így jelentősen megnő a vegyület vezetőképessége.
Mivel a hidrogén a legkisebb és legkönnyebb elem, X-sugarakkal nehéz kimutatni – viszont az aranyatomokhoz kötve már megfigyelhető, hogyan módosítja a hidrogén a rácsszerkezet viselkedését.
„Az aranyrács gyakorlatilag tanúként szolgál arra, hogy mit csinál a hidrogén” – magyarázta Mungo Frost.
Kapcsolódás az űrkutatáshoz és a fúziós energiához
A szilárd arany-hidrid lehetővé teszi a sűrű hidrogén tanulmányozását olyan laboratóriumi körülmények között, amelyek másként nem lennének hozzáférhetők. Mindez segíthet jobban megérteni az óriásbolygók belsejét, ahol hasonló anyagok lehetnek jelen, vagy új ismereteket adhat a Napban és más csillagokban zajló fúziós folyamatokról.
Ezek az eredmények a földi fúziós energia fejlesztéséhez is hozzájárulhatnak.
Új fejezet a kémiában
Az arany, amelyet általában „nemesfémként” tartunk számon a kémiai inaktivitása miatt, extrém nyomás és hőmérséklet mellett stabil hidridet képezett – még ha ez a stabilitás csak ezekben a körülményekben is érvényesül. Lehűlés után ugyanis az arany és a hidrogén szétválik.
A számítógépes szimulációk szerint még több hidrogén is beépülhet az aranyrácsba, ha még magasabb nyomást alkalmaznak.
„Ez is azt jelzi, hogy újfajta kémia vár felfedezésre, ha túllépünk a hagyományos körülményeken” – foglalta össze Mungo Frost.
A kutatók szerint a szimulációs keretrendszer más egzotikus anyagokra is alkalmazható lehet, nemcsak arany-hidridre.
„Fontos, hogy kísérletileg is képesek vagyunk előállítani ezeket az anyagokat extrém környezetben” – tette hozzá Siegfried Glenzer, a SLAC fotontudományi professzora és a tanulmány vezető kutatója.
„Ez a szimulációs eszköztár más különleges anyagtulajdonságok vizsgálatára is alkalmazható lesz.”
A kutatásban részt vettek a Rostocki Egyetem, a DESY, a European XFEL, a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, a Frankfurti és Bayreuthi Egyetem (Németország), az Edinburghi Egyetem (Egyesült Királyság), a Carnegie Intézet, a Stanford Egyetem és a Stanford Anyag- és Energia Tudományok Intézete (SIMES) munkatársai. A munka egy részét az USA Energiaügyi Minisztériuma finanszírozta.
