هیدروژن در مقیاس نانو به ابرسیال تبدیل شد؛ تأیید پیش‌بینی ۵۰ ساله

به گزارش ایسنا، این یافته، پیش‌بینی‌ را که نیم قرن پیش توسط فیزیکدان برنده‌ی نوبل، ویتالـی گینزبورگ، مطرح شده بود، تأیید می‌کند و می‌تواند تحولی در ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی پاک ایجاد کند.

ابرسیالیت، مفهومی که نخستین‌بار در سال ۱۹۳۶ در هلیوم کشف شد، حالتی است که در آن، مایع می‌تواند از میان باریک‌ترین کانال‌ها بدون هیچ‌گونه اصطکاکی عبور کند. این پدیده بعدها در برخی گازهای اتمی نیز مشاهده شد.

در سال ۱۹۷۲، دکتر ویتالی گینزبورگ (Vitaly Ginzburg)، برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک، این فرضیه را مطرح کرد که هیدروژن مایع نیز می‌تواند یک ابرسیال باشد. با این حال، تا کنون دانشمندان نتوانسته بودند این فرضیه را به‌طور تجربی تأیید کنند.  برای نخستین‌بار، پژوهشگران نشان داده‌اند که خوشه‌های نانومقیاس هیدروژن در دماهای فوق‌العاده پایین می‌توانند به ابرسیال تبدیل شوند؛ وضعیتی کوانتومی که در آن، مایع بدون اصطکاک و ویسکوزیته جریان می‌یابد.

 پیش از این، چنین رفتاری فقط در هلیوم مشاهده شده بود. این پژوهش که توسط تیمی بین‌المللی از دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC)، مؤسسه RIKEN و دانشگاه کانازاوا (Kanazawa) انجام شده، در نشریه‌ی Science Advances منتشر شده است.

دکتر تاکاماسا موموزه متخصص مولکول‌های سرد و نویسنده‌ی ارشد مقاله، می‌گوید: «این کشف درک ما از مایعات کوانتومی را عمیق‌تر می‌کند و می‌تواند الهام‌بخش روش‌های جدیدی برای ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل کارآمدتر هیدروژن، به عنوان سوختی پاک، باشد.»

برخلاف هلیوم، مطالعه‌ی هیدروژن در حالت مایع بسیار دشوار است، زیرا در دمای ۲۵۹- درجه‌ی سانتی‌گراد به‌طور طبیعی به حالت جامد در می‌آید. اما تیم پژوهشی دکتر موموزه با استفاده از نانوقطره‌های هلیوم به عنوان محفظه‌ای فوق‌العاده سرد، موفق شدند خوشه‌های هیدروژن را در حالت مایع نگه دارند. آن‌ها دمای محیط را تا ۲۷۲.۲۵- درجه‌ی سانتی‌گراد (۰.۴ کلوین) کاهش دادند و خوشه‌های نانومقیاس هیدروژن را درون این محفظه‌ها قرار دادند.

چگونه ابرسیالیت هیدروژن تأیید شد؟ برای آزمایش ابرسیالیت، پژوهشگران یک مولکول متان را درون خوشه‌های هیدروژن قرار دادند و آن را با پالس‌های لیزری به چرخش درآوردند. این روش مانند یک “قناری در معدن زغال‌سنگ” عمل می‌کند؛ به این معنا که اگر مولکول متان بتواند بدون هیچ مقاومتی سریع‌تر بچرخد، نشان‌دهنده‌ی این است که محیط اطراف آن (هیدروژن) به حالت ابرسیال درآمده است.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که زمانی که تعداد مولکول‌های هیدروژن در یک خوشه بین ۱۵ تا ۲۰ عدد باشد، مولکول متان بدون مقاومت می‌چرخد. این یافته، نشانه‌ای قطعی از ابرسیالیت در هیدروژن است.

دکتر هاتسوکی اوتانی که این پژوهش را در زمان دانشجویی دکترای خود در UBC انجام داده، می‌گوید: «وقتی برای نخستین‌بار طیف واضح متان را در یک قطره‌ی کوچک از هیدروژن مایع مشاهده کردیم، بسیار هیجان‌زده شدیم. این نشانه‌ای قوی از ابرسیالیت هیدروژن بود. سپس نتایج نظری همکاران ما در دانشگاه کانازاوا کاملاً با داده‌های تجربی ما مطابقت داشت.»

هیدروژن یکی از اصلی‌ترین گزینه‌های سوخت پاک است، زیرا در سلول‌های سوختی تنها محصول جانبی آن آب است. اما تاکنون، چالش‌های مرتبط با تولید، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل این گاز، زیرساخت‌های مرتبط با آن را محدود کرده است.

کشف جریان بدون اصطکاک هیدروژن ابرسیال می‌تواند مسیر را برای فناوری‌های جدید ذخیره و انتقال هیدروژن هموار کند و منجر به بهره‌وری بالاتر در صنعت انرژی‌های تجدیدپذیر شود.

این پژوهش، نه‌تنها یک پیش‌بینی ۵۰ ساله را به واقعیت تبدیل کرد، بلکه پنجره‌ای جدید به‌سوی درک بهتر پدیده‌های کوانتومی و کاربردهای عملی آن در فناوری‌های آینده گشود.