האם ניתן להפוך מימן לבעל תכונות של גרפן?

מחקר חדש מתעמק בכימיה של תצפיות מפתיעות בנוגע למימן שהתקבלו לאחרונה, וחושף קווים מקבילים יוצאי דופן בין גרפן לבין מימן תחת לחצים גבוהים

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

מחקר חדש שנערך באוניברסיטת קרנגי על ידי החוקרים Ivan Naumov ו- Russell Hemley מתעמק בכימיה הנמצאת בבסיס תצפיות מפתיעות בנוגע למימן שנערכו לאחרונה, וחושף קווים מקבילים יוצאי דופן בין גרפן לבין מימן תחת לחצים גבוהים. הממצאים פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Accounts of Chemical Research.

מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. בתור יסוד המכיל בתוכו אלקטרון יחיד, הוא נראה, באופן מטעה, די פשוט. כתוצאה מכך, מימן משמש בתור בסיס למחקר בתחומי התיאוריה של קשרים כימיים מאז לידתה של מכניקת הקוונטים לפני כמאה שנים. הבנת הקשר הכימי בתנאים קיצוניים היא חיונית לשם הרחבת התובנות שלנו באשר למהות החומר לרוחב הטווח הנרחב של התנאים המתקיימים ביקום.
הצפייה בהתנהגותו של מימן תחת לחצים גבוהים מאוד מהווה אתגר כביר לחוקרים. אולם, לאחרונה צוותי מחקר הצליחו לחשוף כי בלחצים הגבוהים פי 3.5-2 מיליון מהלחץ האטמוספירי אטומי מימן מסתדרים במבנה בלתי צפוי המורכב מיריעות מרובדות, ולא במבנה דמוי-מתכת ארוז היטב, כפי שחזו החוקרים לפני שנים רבות.

יריעות המימן דומות לתרכובת הפחמנית גרפן. השכבות של גרפן מורכבות כל אחת ממבנה משושה דמוי יערת דבש הכולל טבעות של שישה אטומי פחמן. גרפן רגיל זה, שסונתז לראשונה לפני כעשור, הוא קל-משקל מאוד, ואף על פי כן, הוא חזק במיוחד ומוליך חום וחשמל באופן יעיל מאוד. תכונות אלו מבטיחות פיתוחן של טכנולוגיות מהפכניות, לרבות רכיבי אלקטרוניקה ואופטיקה למסכים, תאים פוטו-וולטאים עתירי תפקוד, וסוללות משופרות וכן התקנים אחרים לאחסון אנרגיה.

המחקר החדש מראה כי היציבות של מבנה המימן הבלתי רגיל נובעת מהיציבות המובנית של טבעות המימן. הטבעות הללו נוצרות בשל התופעה המכונה בשם ‘ארומטיות’, שהיא מובנית כהלכה עבור מולקולות המכילות אטומי פחמן, למשל בנזן וגרפן. מבנים ארומטיים הם בעלי צורה דמוית-טבעת שאותה ניתן לראות בתור אטומי פחמן הקשורים זה לזה בקשר יחיד וכפול, לסירוגין. אולם, מה שלמעשה קורה באמת הוא שהאלקטרונים המשולבים בקשרים תיאורטיים אלו הופכים לבלתי-מאותרים ונעים בתוך מעגל משותף בתוככי הטבעת, מה שמגביר את היציבות הכימית.

החוקרים הראו כי תחת לחצים כה גבוהים המימן הופך בתחילה לחומר שחור דמוי-מתכת בעל מוליכות חשמלית גרועה, בדומה לחומר גרפיט (שגם הוא מורכב מפחמן), ולא למתכת מבהיקה רגילה ומוליכה טובה, כפי שחשבו החוקרים במקור לאור חישובים תיאורטיים שנעשו עוד בשנות ה-30 של המאה הקודמת בעזרת מודלים מוקדמים של מוצקים ועל סמך מכניקת הקוונטים.

למרות שהגילוי של יריעה מרובדת זו של מימן דחוס הגיעה כהפתעה לחוקרים רבים, לפני כשלושים שנים כימאים מסוימים – עוד לפני הגילוי של גרפן – חזו את המבנה הזה בדיוק על בסיס שיקולים כימיים פשוטים. עבודתם של כימאים אלו עוברת תיקוף והרחבה על ידי הממצאים החדשים.
“באופן כללי, הממצאים שלנו מצביעים על כך כי קישור כימי מתרחש לרוחב טווח גדול יותר של תנאים מאשר נשקל בעבר. יחד עם זאת, ההשלכות המבניות של קישור כימי זה בתנאים קיצוניים אלו שונות מאוד מאלו שנצפו תחת תנאים רגילים ואשר מוכרים לכולנו,” מציין החוקר הראשי.

תקציר המאמר
הידיעה על המחקר