Przypadkowe odkrycie podczas innych badań
Ironia polega na tym, że przełomowe odkrycie było zupełnie niezamierzone. Naukowcy w European XFEL w Niemczech badali proces przekształcania węglowodorów w diamenty pod wpływem ekstremalnego ciśnienia i temperatury. Złoto miało pełnić rolę biernego absorbera promieni rentgenowskich – materiału, który miał pozostać chemicznie obojętny przez cały eksperyment. Eksperyment wymagał warunków, które trudno sobie wyobrazić. Próbki złota wraz z węglowodorami zostały poddane ciśnieniu przekraczającemu 40 gigapaskali. To ponad 400 tysięcy razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza. Następnie materiał podgrzano do około 2500 stopni Celsjusza za pomocą ultrakrótkich impulsów lasera rentgenowskiego.
Czytaj też: Nieznane oblicze samaru. Niemcy poznali sekrety zagadkowego pierwiastka
Warunki panujące podczas eksperymentu są trudne do wyobrażenia. Ciśnienie jest wyższe niż we wnętrzu płaszcza Ziemi, a temperatura zbliża się do punktu topnienia złota. W takich okolicznościach nawet najbardziej stabilne materiały zaczynają zachowywać się w nieprzewidywalny sposób. Badacze używali komór diamentowych do wytworzenia ekstremalnego ciśnienia, a następnie bombardowali próbki błyskami lasera rentgenowskiego European XFEL. Wtedy właśnie złoto, które miało pozostać obojętne, zaczęło reagować z wodorem uwolnionym z rozkładających się węglowodorów. Nowo powstały związek, oznaczany wzorem AuHx, gdzie x waha się od zera do prawie jednego, wykazuje cechy, które zaskakują nawet doświadczonych chemików. Struktura wodorku złota składa się z heksagonalnej, gęsto upakowanej sieci atomów złota, przez którą swobodnie przemieszczają się atomy wodoru.
Najbardziej fascynującą cechą tego związku jest stan wodoru, który naukowcy określają jako superjonowy. W tym stanie atomy wodoru zachowują się jak ciecz, swobodnie dyfundując przez sztywną krystaliczną sieć złota. Zjawisko to obserwowano wcześniej głównie w materiałach bogatych w wodór, ale nigdy w związkach zawierających złoto. Stan superjonowy wodoru znacząco zwiększa przewodnictwo elektryczne całego materiału. To odkrycie otwiera nowe możliwości w dziedzinie materiałoznawstwa i może prowadzić do lepszego zrozumienia zachowania materii w ekstremalnych warunkach.
Stabilność tylko w specyficznych warunkach
Wodorek złota to materiał o bardzo szczególnych wymaganiach. Pozostaje stabilny wyłącznie w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Gdy tylko próbka zostanie ochłodzona do temperatury pokojowej, natychmiast rozkłada się z powrotem na zwykłe złoto o standardowej strukturze krystalicznej. Ta właściwość oznacza, że wodorek złota nie ma bezpośredniego zastosowania w technologiach działających w normalnych warunkach. Jednak jego badanie dostarcza cennych informacji o zachowaniu materii w ekstremalnych stanach, które występują naturalnie we Wszechświecie.
Znaczenie dla nauki i przyszłych technologii
Odkrycie wodorku złota ma znaczenie wykraczające daleko poza chemię. Badanie tego związku może pomóc naukowcom w zrozumieniu procesów zachodzących we wnętrzach planet gazowych, gdzie wodór występuje w podobnych, ekstremalnych warunkach. To z kolei może przyczynić się do lepszego poznania ewolucji układów planetarnych.
Ważne jest, abyśmy mogli eksperymentalnie wytwarzać i modelować te stany w tych ekstremalnych warunkach — wyjaśnia Siegfried Glenzer, współautor badania
Równie istotne są implikacje dla energetyki termojądrowej. Zrozumienie zachowania wodoru w ekstremalnych warunkach ciśnienia i temperatury może przyczynić się do rozwoju technologii fuzji jądrowej na Ziemi. Procesy zachodzące w wodorku złota są podobne do tych, które napędzają gwiazdy. Odkrycie sugeruje również, że wiele innych nieoczekiwanych związków chemicznych może czekać na odkrycie w ekstremalnych warunkach. Dotychczas naukowcy mogli przegapić całe obszary chemii po prostu dlatego, że nie dysponowali odpowiednimi metodami badawczymi.
Badanie opublikowane w Angewandte Chemie International Edition otwiera nową erę w chemii ekstremalnych warunków. Pokazuje, że nawet tak “nudne” chemicznie pierwiastki jak złoto mogą zaskakiwać, gdy znajdą się w odpowiednich okolicznościach. To odkrycie zmusza nas do ponownego przemyślenia tego, co wiemy o reaktywności chemicznej i może prowadzić do rewolucji w materiałoznawstwie. Patrząc realistycznie, wodorek złota istnieje tylko w warunkach laboratoryjnych i natychmiast znika, gdy wracamy do normalnego ciśnienia i temperatury. Jednak samo odkrycie pokazuje, jak wiele jeszcze nie wiemy o zachowaniu materii w ekstremalnych warunkach. To kolejny dowód na to, że nauka wciąż potrafi zaskakiwać, nawet w przypadku pierwiastków, które wydawały nam się doskonale poznane.