Chování prvků při vysokých tlacích

V periodické tabulce najdeme chemické prvky uspořádané v úhledných sloupcích a řadách, což nám pomůže odhadnout jejich vlastnosti. Pro chemiky je to první referenční bod pro další bádání – jak například vyvinout lepší katalytické konvertory nebo jak rychleji vyrobit beton, popř. vyhledat nejlepší materiály pro lékařské implantáty. Většina látek ve vesmíru se však nevyskytuje - tak jako na povrchu Země – v chladných a klidných podmínkách. Více než 99,9 % hmoty se nachází na planetách a hvězdách v prostředí vysokých teplot a zejména ohromných tlaků. A o vysokotlaké oblasti toho moc nevíme. Novodobí „alchymisté“ se však začínají pomalu zabývat i touto oblastí, tj. prostředím vysokých tlaků, a dosud známé fyzikální a chemické vlastnosti látek upřesňují. Vysoké tlaky mění například kapaliny v pevné látky, nekovy na kovy atd. Cílem technologů a chemiků je však nejen lépe pochopit chemii naší planety a jiných planet, ale také nalézt materiály, které jinak reagují, skladují energii účinněji nebo dokonce vedou elektřinu při pokojové teplotě, aniž kladou elektrickému proudu odpor.

Od Mendělejeva ke kvantové mechanice

První periodickou tabulku prvků vypracoval v roce 1869 Dmitrij Mendělejev. Zjistil, že když se prvky seřadí podle atomového čísla, opakují se periodicky některé jejich vlastnosti a predikoval i existenci do té doby neobjevených prvků (např. jeho „ekasilicium“, nyní zvané „germanium“). Chování prvků bylo možné vysvětlit teprve ve 20. století po objevu a rozvoji kvantové fyziky. Zjednodušeně řečeno, elektrony kroužící kolem atomového jádra mohou obsadit jen určité oběžné dráhy (přesněji: soubor elektronů může být popsán jen některými vlnovými funkcemi), přičemž na každé orbitě zahrnující několik drah může být jen přesný počet elektronů (a jim odpovídá jistá z povolených vlnových funkcí). Uspořádání elektronů na orbitě, a to zejména valenčních – těch nejvzdálenějších od středu – přitom určuje chemický charakter prvku. Ale co když se zvýší tlak? Pak je všechno jinak. Extrémními tlaky se orbity zdeformují a navzájem přiblíží, elektrony se do nich namačkají, jejich dílčí vlnové funkce se překrývají jinak, vytvářejí exotičtější konfigurace a umožňují tím chemické vazby s jinými atomy zcela jiným způsobem.

Cesta za umělými diamanty

Příkladem změn v souvislosti s vysokým tlakem je uhlík. Všem známé uhlí je vlastně z největší části uhlík, který vznikl ze zbytků rostlin za působení vysokých teplot a tlaků pod povrchem  Země. V hloubce asi 100 km jsou teploty a tlaky 30 000 až 50 000 krát větší než na povrchu Země. Za těchto podmínek se uhlíkové vazby změní a namísto struktury obvyklého uhlíku (grafitu), bude stabilní zcela jiná struktura odpovídající jiné látce (třeba diamantu). Geologické procesy mohou diamanty vynést těsněji pod povrch Země, a pak je lze těžit. Od 50. let se však mohou vědci obejít bez miliardy let starého geologického prostředí a pomocí výkonných hydraulických lisů dokáží stlačit uhlík natolik, že z něj rovněž vzniknou diamanty. Tentokrát ale umělé. Ale i tlaky vytvořené hydraulickými lisy jsou zanedbatelné s tlaky, které existují uvnitř Země (viz graf). Protože do takových hloubek není přímý přístup, je třeba vyřešit, jak takové tlaky vytvořit. V současné době je nejhlubší vrt na Zemi – hluboký 12 km – na poloostrově Kola.

Jádro Země coby pneumatika

Síla, která se zkoncentruje na velmi malou plochu, vytváří vysoký tlak. Tento jev využívá kovadlinkový lis (anvil cell), který dokáže vyvinout při drcení malých vzorků tvrdých materiálů velmi vysoký tlak stejným principem jako hydraulický lis. Musí mít ovšem také patřičně tvrdé čelisti. Jedním z tak tvrdých materiálů je karbid wolframu, který odolá tlaku, jaký je v horním plášti Země. A to není vše: odštěpky z diamantu jdou ještě dál – umožňují tlaky srovnatelné s těmi, které existují v zemském jádru. Protože je diamant průhledný, umožňuje výzkumníkům sledovat v reálném čase, co se při jeho drcení děje. Ke sledování dějů na úrovni atomů je ovšem nezbytné zvláštní „osvětlení“, a to intenzivní svazek paprsků X, jehož zdrojem jsou urychlovače typu synchrotronu, jako je například European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) v Grenoblu. Geochemička Catherine McCammon se skupinou vědců z německé Bayreuth University nedávno umístila diamantový kovadlinkový lis do svazku generovaného v ESRF, aby se pokusila objasnit záhadu konzistence zemského jádra. Zemské jádro se většinou se skládá ze železa. Způsob, jakým seizmické vlny jádrem Země procházejí, však naznačuje, že jádro má spíše konzistenci pneumatikové gumy. To se velmi liší od konzistence, kterou má čisté železo pod tlakem. Výzkumníci zjistili, že po smíchání železa s grafitovým práškem a po jeho stlačení vytvářelo železo zcela jiné krystalické fáze, a ty měly podobnou plasticitu. To naznačuje, že Země má velký, dříve neznámý zásobník uhlíku (viz Nature Geoscience, vol. 8, s. 220).

Podobné experimenty vedly k novým odhadům teploty tavení železa za působení tlaku. Dospěly k závěru, že teplota zemského vnitřního jádra je 6 000 stupňů Celsia, tedy asi o 1 000 stupňů vyšší než se dříve předpokládalo. Velký počet elektronů obíhajících kolem jádra železa však počítačové modelování železa pod tlakem znesnadňuje. Přesto někteří výzkumníci začínají zkoumat i další prvky s ještě více elektrony, například vzácné zeminy. Ty jsou důležité pro různá zařízení od obrazovek chytrých telefonů až po magnety větrných turbín. Má se za to, že zkoumání jejich vysokotlakých forem umožní lépe využít vlastností těchto prvků.

Vodík supravodičem? I za pokojové teploty?

Stejná motivace však vede výzkumníky i u jednodušších prvků. A zde jsou překvapení největší. Když se například sodík vystaví tlaku, který existuje ve vnějším jádru Země, pak se měkký, vysoce reaktivní kov (jakým je na zemském povrchu) stává průhledným a něčím mezi polovodičem a izolantem. Za obdobných tlaků se kyslík mění v pevný kov a je-li ochlazen, stává se supravodičem, tj. vede elektřinu zcela bez odporu. Nejnadějnějším případem je nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru –vodík. Jeho atom se skládá z jediného elektronu, který obíhá kolem jediného protonu. Výpočty od 30. let naznačovaly, že při vysokých tlacích by se vodík mohl stát kovem, a to po deformaci orbitů, když by vzájemné překryvy umožnily, aby se elektrony mohly volně pohybovat celou látkou. Výpočty ukazovaly, že tyto elektrony by v takovém „dovádivém“ stavu mohly procházet makroskopickým kusem pevného vodíku bez výměny energie s mřížkou protonových jader, tedy z hlediska elektrického proudu beze ztrát energie – vodík by se mohl stát supravodičem, a to dokonce za pokojové teploty! A tento stav by přetrvával i po snížení tlaku. Bylo by tomu jako u diamantu, který si i po snížení tlaku rovněž ponechává svou strukturu.

Dosud nejvyšší teplota, při níž se vyskytuje supravodivost, je u keramických supravodičů, a to -140 °C při běžném tlaku a až pouhých - 110 °C při tlaku zvýšeném. Při pokojové teplotě by supravodič umožnil bezeztrátový přenos elektřiny na velké vzdálenosti při mnohem nižších nákladech. Díky tomu by se zcela transformovaly elektrické sítě a také motory s vnitřním spalováním by se mohly stát historickými exponáty.

Málo vodivý polokovový stav

Nikdo si zatím není jist tím, při jakých tlacích dochází k přechodu plynného vodíku na kov nebo na látku vykazující supravodivost. Je ale pravděpodobné, že kovový vodík sice vytváří jádro Jupitera a jiných obřích plynných planet, že tam však není supravodivý. Je velmi obtížné napodobit tlak uvnitř Jupitera, který je 4 000 GPa, což je více než desetinásobek tlaku uvnitř vnitřního jádra Země, a 40 milionkrát vyšší, než je tlak na povrchu naší planety. V roce 2011 Michail Eremets a Ivan Trojan z Max Planck Institute of Chemistry v Mainzu uvedli, že se jim podařilo přeměnit vodík na kov při tlaku 260 GPa v diamantovém kovadlinkovém lisu (viz Nature Materials, vol. 10, s. 927). Pozdější analýza naznačila, že objevili něco jiného: málo vodivý polokovový stav. V říjnu 2015 tito výzkumníci stlačili sulfan (H₂S) na pouhých 90 GPa a přeměnili ho na pevný kov. Kdyby byl tlak zvýšen na 150 GPa a potom by se kov ochladil, mohl by se vodík stát supravodičem při - 70 °C, tedy při dosud nejvyšší teplotě pro supravodivost. Zdá se, že jeho supravodivost by šlo vysvětlit i podle konvenčního mechanismu známého již 50 let, a to na rozdíl od stále záhadné supravodivosti keramik.

Čistý vodík zůstává stále konečným cílem výzkumu a objev kovového vodíku by asi stál za Nobelovu cenu. Kromě možnosti stát se supravodičem za pokojové teploty by se kovový vodík mohl stát i základem revoluční palivové technologie: molekulární vazby čistého vodíku se při vysokém tlaku štěpí a zanechávají systém, který může skladovat obrovské množství chemické energie.

Dvoustupňový lis

Porozumět vysokým tlakům je stále stejně obtížné. O existenci kovového stavu pod 400 GPa, což je dnešní hranice experimentálních studií, existují pochybnosti. Paul Loubeyre z Alternative Energies and Atomic Energy Commission v Bruyéres-Le-Chatel a skupina vědců okolo něj pracuje na dvoustupňové kovadlince. V podstatě se jedná o drcení diamantem a následující diamantové drcení něčím dalším, což by umožnilo simulovat tlak až 600 GPa. Loubeyre se domnívá, že kovový vodík bude objeven během dvou až tří let. Chemici již běžně využívají přeměny chemické reaktivity, ke kterým dochází již při nepatrném zvýšení tlaku. Například molekulární dusík v atmosféře je (naštěstí) nereaktivní plyn. Po dvousetnásobném zvýšení tlaku však rychle reaguje s vodíkem a vytváří amoniak; ten je základem pro výrobu umělých hnojiv, která pomohla zvýšit produktivitu práce v zemědělství a zajistila začátkem 20. století potraviny pro miliony hladovějících obyvatel Země. Lze jen doufat, že další výzkum v oblasti vysokých tlaků rovněž bude znamenat velký přínos i tímto směrem.

(Matthew Chalmers: Elements at the extreme. New Scientist, 2015, č. 3038, s. 28-31)