Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học tạo được hidro dạng kim loại, bước tiến phi thường của nhân loại

Sau hơn 80 năm kể từ lần đầu tiên giả thiết về hidro kim loại được đưa ra, lần đầu tiên dạng vật chất bí ẩn này đã được tạo ra. Đây là một thể hidro có thể có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Các nhà khoa học từ lâu đã nghi ngờ rằng hidro có thể tồn tại ở thể kim loại ở một số điều kiện nhất định trong vũ trụ, nhưng đây là lần đầu tiên hidro kim loại được tạo ra trên Trái Đất, và vật liệu này có nhiều đặc tính thú vị mà không ai ngờ tới.

Bảng tuần hoàn được chia thành hai phần: nguyên tố kim loại và nguyên tố phi kim. Các thuộc tính của kim loại bao gồm: dẫn điện, tồn tại ở thể rắng tại nhiệt độ phòng trong khi phi kim lại dẫn điện kém. Hidrogen - nguyên tố đầu tiên trong bảng là một phi kim.

Ảnh chụp hidro kim loại tại phòng thí nghiệm Havard

Vào năm 1935, các nhà khoa học đã phỏng đoán rằng trong một số điều kiện nhất định, các nguyên tử hidro có thể có mật độ dày đặc đến nỗi chúng trở thành kim loại. Tuy nhiên điều kiện này rất khó đạt được: áp suất cực lớn ở nhiệt độ cực thấp - đó là lí do hơn 80 năm sau đó, sau hàng loạt thử nghiệm, loại vật liệu này mới có thể được tạo ra.

"Khi khí hidro được nén ở áp suất cực cao nó bỗng trở thành kim loại. Khối hidro không còn trong suốt nữa mà có màu đen bóng. Chúng tôi có thể thực sự nhìn thấy nó trở thành kim loại." theo Isaac F. Silvera từ đại học Havard, người đứng đầu nghiên cứu. Nhóm đã hạ nhiệt độ xuống âm 267,65 độ C và sử dụng áp suất cực lớn để nén khí hidro đặt giữa hai đầu của hai viên kim cương.

Vào năm 1935, các phỏng đoán cho rằng hidro kim loại sẽ hình thành ở áp suất 25 giga-pascal (GPa). Thế nhưng thực tế Silvera đã phải dùng tới 465 - 495 GPa - cao hơn dự đoán gấp 20 lần. Để so sánh, 1 GPa = 1 triệu KPa và áp suất trung bình ở mặt nước biển là 101.325 KPa.

Khi sự chuyển hóa xảy ra các nhà khoa học có thể nhìn thấy điều đó. Tuy nhiên để xác minh rằng họ đã tạo ra hidro kim loại, nhóm đã sử dụng các phương pháp đo lường quang phổ. Câu hỏi là liệu hidro kim loại là chất lỏng hay rắn - nhóm nghiên cứu cho rằng nó có thể là cả 2.

Nhóm đã hạ nhiệt độ xuống âm 267,65 độ C và sử dụng áp suất cực lớn để nén khí hidro đặt giữa hai đầu của hai viên kim cương.

Lạ kì thay, Silvera cho biết rất có thể vật liệu này có tính metastable - có nghĩa là nó sẽ giữ nguyên trạng thái kim loại khi không còn tiếp xúc với áp suất cao. Kim cương cũng là một vật liệu metastable. Kim cương được tạo ra khi đá graphite bị nén dưới nhiệt độ và áp suất cao sâu dưới lòng Trái Đất và khi không còn ở điều kiện đó nữa thì kim cương vẫn giữ nguyên cấu trúc.

Tuy nhiên đó chỉ là một giả thiết của Silvera. Nhóm sẽ tiếp tục phân tích mẫu vật liệu này kĩ lưỡng hơn trước khi thử nghiệm giải phóng áp lực và kiểm nghiệm xem liệu giả thiết này có đúng không.

Đặc biệt, các nhà vật lí tin rằng hidro kim loại có thể là một vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, điều này có nghĩa là không cần những bình ni-tơ lỏng làm lạnh, hidro kim loại vẫn có thể dẫn điện với điện trở bằng 0 ở nhiệt độ thường.

Đặc biệt, các nhà vật lí tin rằng hidro kim loại có thể là một vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, điều này có nghĩa là không cần những bình ni-tơ lỏng làm lạnh, hidro kim loại vẫn có thể dẫn điện với điện trở bằng 0 ở nhiệt độ thường.

Hiện nay vật liệu siêu dẫn đã trở nên quen thuộc - chúng được dùng để tạo ra trường điện từ mạnh trong các máy MRI và trên các con tàu siêu tốc. Tuy nhiên chúng chỉ trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ âm 269 độ C - khiến việc ứng dụng vô cùng bất khả thi và tốn kém.

Nếu sự siêu dẫn có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng, chúng ta có thể tạo ra các loại dây điện không gây hao hụt năng lượng để truyền tải điện. Hiện nay, lượng hao hụt năng lượng điện lưới thành nhiệt năng là 15%.

Thậm chí, hidro kim loại có thể là loại nguyên liệu tên lửa đẩy tốt nhất từng có nhờ mật độ năng lượng dày đặc chứa trong các liên kết giữa các nguyên tử - đủ để đưa chúng ta tới nhiều nơi xa trong vũ trụ.

Thậm chí, hidro kim loại có thể là loại nguyên liệu tên lửa đẩy tốt nhất từng có nhờ mật độ năng lượng dày đặc chứa trong các liên kết giữa các nguyên tử - đủ để đưa chúng ta tới nhiều nơi xa trong vũ trụ.

Nguyên tử hidro kim loại được Silvera và nhóm nghiên cứu tạo ra có đường kính 10 microns và dày 1 đến 1,5 micron. Trong các nghiên cứu tiếp theo các nhà khoa học sẽ đánh giá liệu vật liệu này có thực sự có khả năng siêu dẫn như dự đoán. Tuy nhiên hiện tại thì các thử nghiệm sơ bộ cho thấy vật liệu này vượt qua các bài kiểm tra về tính kim loại.