Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

في عالم المواد الصلبة، يعد الهيدروجين بارعاً في التنكر. ففي الضغط الذي نعيش تحته كل يوم، يرتبط بطرق يمكن التنبؤ بها: أحياناً كغاز بسيط، وأحياناً أخرى يكون محبوساً بإحكام داخل المعادن، أو يشكل هياكل معقدة لتخزين الطاقة. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه إذا تمكنوا من ضغط الهيدروجين بقوة كافية — وهي الضغوط الموجودة في أعماق الكواكب العملاقة أو التي يتم توليدها في مختبرات متخصصة — فإنه سيتصرف بطرق جديدة تماماً. وتحت هذا الضغط الشديد، تُجبر ذرات الهيدروجين على الاقتراب من بعضها البعض لدرجة أنها تشكل شبكات كثيفة وغير عادية، مما يخلق فئة من المواد تسمى "السوبر هيدريد" (superhydrides). وتشتهر هذه المركبات الغريبة بخاصية مذهلة واحدة: وهي أن بعضها يمكنه توصيل الكهرباء بمقاومة صفرية عند درجات حرارة أكثر دفئاً بكما في أي موصل فائق آخر معروف. ومع ذلك، لطالما وقف عائق رئيسي في طريق استخدامها؛ فهذه السوبر هيدريدات تشبه مكعبات الثلج في الصحراء؛ فبمجرد تخفيف الضغط الساحق، تعود لتذوب وتتحول إلى مواد عادية وأقل إثارة للاهتمام. وقد كان التحدي الكبير للباحثين هو إيجاد طريقة لحبس هذه الهياكل عالية الضغط بحيث يمكنها البقاء في الهواء الطلق، مما يجعل خصائصها الرائعة متاحة للاستخدام في العالم الحقيقي.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في فرنسا الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من السوبر هيدريد يرفض التفكك عند رفع الضغط. فمن خلال العمل مع خليط من الإيتريوم والحديد والهيدروجين، استخدموا جهازاً يسمى "خلية سندان الماس" لضغط المواد معاً. ومن خلال تسخين العينة باستخدام الليزر أثناء خضوعها لضغط هائل، استدرجوا الذرات لتشكل هيكلاً محدداً وعالي التنظيم. وكانت النتيجة مركباً بصيغة Y3Fe4H20، وهو مادة محشوة بذرات الهيدروجين بطريقة لم يسبق لها مثيل. وما يجعل هذا الاكتشاف مميزاً حقاً هو أنه عندما خفف العلماء الضغط ببطء، لم تنهار المادة، بل حافظت على شكلها، وظلت مستقرة حتى بعد عودتها إلى الضغط الطبيعي للغلاف الجوي. ويمثل هذا المرة الأولى التي يتم فيها استعادة سوبر هيدريد بهذا المحتوى العالي من الهيدروجين والحفاظ عليه سليماً في ظل الظروف اليومية.

لفهم ما وجدوه، تعين على الفريق النظر داخل الهيكل البلوري لمادتهم الجديدة. وباستخدام أشعة إكس قوية، رسموا خرائط لمواقع ذرات المعادن الثقيلة، الإيتريوم والحديد. ولأن ذرات الهيدروجين خفيفة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها بوضوح بواسطة الأشعة السينية، استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية متقدمة لمعرفة أين يجب أن تستقر ذرات الهيدروجين لجعل الهيكل مستقراً. والصورة التي ظهرت كانت تصميماً معمارياً فريداً؛ حيث تحاط كل ذرة حديد بثماني ذرات هيدروجين، مكونة وحدات جزيئية تشبه المكعبات. وهذه المكعبات لا تطفو بمفردها، بل ترتبط معاً من الحافة إلى الحافة، وتتشارك في ذرات الهيدروجين لتشكل سلاسل طويلة مستمرة. وتستقر ذرات الإيتريوم في المساحات بين هذه السلاسل، مثبتة بالقوى الكهربائية. وقارن الباحثون هذا الترتيب بالطريقة التي ترتبط بها السيليكون والأكسجين في معادن السيليكات، وهي عائلة شائعة من الصخور، ولكن هنا "الصخور" مصنوعة من الهيدروجين والمعدن. وهذا الإطار الشبيه بالسيليكات من سلاسل الهيدروجين هو ما يمنح المادة قوتها ويسمح لها بالبقاء دون الضغط الساحق الذي ينشئها عادةً.

بدأت رحلة هذا الاكتشاف بنقطة انطلاق محددة: مركب موجود مسبقاً من الإيتريوم والحديد كان قد امتص بالفعل بعض الهيدروجين. وضع الفريق بلورات صغيرة من هذه المادة، مع غاز هيدروجين إضافي، بين طرفي ماسيين. وطبقوا ضغطاً وصل إلى مستويات تصل إلى 90 جيجاباسكال، وهو ما يزيد عن مليون مرة من الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر. وعند هذه الأعماق، تُجبر الذرات على الدخول في عناق وثيق. ولمساعدتها على إعادة الترتيب إلى الشكل الأكثر استقراراً، أطلق العلماء شعاع ليزر على العينة، مما سخنها إلى درجات حرارة تقارب 1500 درجة مئوية للحظة وجيزة. وقد منح هذه الحرارة الذرات الطاقة التي تحتاجها للقفز إلى مواقعها الجديدة. وعندما قاموا بتبريد العينة وفحص النتائج، وجدوا أن بلورة جديدة ومتميزة قد تشكلت. ومن خلال تكرار التجربة عدة مرات واستخدام ضغوط مختلفة، أكدوا أنه يمكن إنشاء هذا الهيكل الجديد بدءاً من 60 جيجاباسكال.

بمجرد تحديد البلورة الجديدة، راقب الفريق ما يحدث مع تقليل الضغط ببطء. في السيناريو المعتاد، تنهار المادة عالية الضغط فوراً إلى قطع أبسط بمجرد رفع الضغط. لكن Y3Fe4H20 تصرف بشكل مختلف؛ فقد ظل سليماً، محافظاً على نظامه الداخلي المعقد مع انخفاض الضغط وصولاً إلى الصفر. راقب العلماء البلورة لأكثر من 30 ساعة تحت الضغط الطبيعي، ولم تظهر عليها أي علامات للتفكك. وحتى بعد ثلاثة أشهر، ظلت عينة من التجربة قابلة للتمييز، رغم أنها فقدت كمية صغيرة من الهيدروجين، مما أدى إلى تقلص حجمها قليلاً. ويشير هذا الفقدان المنضبط والبطيء للهيدروجين إلى أنه على الرغم من أن المادة ليست دائمة تماماً، إلا أنها مستقرة بشكل ملحوظ بالنسبة لمادة وُلدت في مثل هذه الظروف القاسية. وهذا يثبت أن الترتيب المحدد للذرات في هذا السوبر هيدريد قوي بما يكفي لمقاومة الرغبة في العودة إلى مكوناته الأبسط.

كما درس الباحثون عن كثب كيفية اهتزاز الذرات وتفاعلها داخل هذا الهيكل. وأظهرت حساباتهم أن المادة موصلة للكهرباء، وهي سمة ضرورية للموصلية الفائقة، لكنهم وجدوا أنه من غير المرجح أن تكون موصلاً فائقاً عالي الحرارة في حد ذاتها. وتشير طريقة توزيع الإلكترونات إلى أنه بينما تقوم بتوصيل الكهرباء، فإنها لا تفعل ذلك بكفاءة المقاومة الصفرية التي نراها في غيرها من السوبر هيدريد الشهيرة مثل LaH10. ومع ذلك، فإن الاكتشاف لا يتعلق بالتطبيق الفوري كموصل فائق، بل بالدليل المفهومي الذي يقدمه. فهو يوضح أنه من خلال خلط معادن مختلفة واستخدام المخطط الهيكلي الصحيح، يمكن للعلماء إنشاء مواد غنية بالهيدروجين وتتميز بأنها "شبه مستقرة" (metastable) — أي أنها يمكن أن توجد في حالة ليست هي الأكثر استقراراً، ولكنها مستقرة بما يكفي لتدوم لفترة طويلة. وهذا يفتح الباب للبحث عن مركبات أخرى مماثلة قد تجمع بين هذه الاستقرار وخصائص الموصلية الفائقة المطلوبة.

إن الطريقة المستخدمة للعثور على هذه المادة تقدم مساراً جديداً للاكتشاف. فبدلاً من الاعتماد فقط على التنبؤات الحاسوبية لتخمين أي مجموعات من العناصر قد تنجح، جمع الفريق بين التخليق التجريبي والنمذجة الحاسوبية المستهدفة. لقد تركوا تجربة الضغط العالي تكشف عن شكل الهيكل المعدني، ثم استخدموا الكمبيوتر لملء فراغات ذرات الهيدروجين المفقودة. سمح هذا النهج بالعثيد على هيكل معقد للغاية بحيث لا تستطيع عمليات البحث الحاسوبية الحالية إيجاده بمفردها، نظراً لأن عدد الذرات في الوحدة المتكررة كبير جداً. ويشير نجاح هذه الطريقة إلى أن أفضل طريقة لإيجاد الجيل القادم من المواد الغريبة هي ترك بيئة الضغط العالي توجه عملية الاكتشاف، مع استخدام الحواسيب لتفسير النتائج بدلاً من محاولة التنبؤ بها من الصفر.

وبالنظر إلى المستقبل، يعمل هيكل Y3Fe4H20 كنموذج للأبحاث المستقبلية. ولأن المادة مبنية على إطار محدد من سلاسل الهيدروجين المرتبطة، يمكن للعلماء الآن تجربة استبدال ذرات الحديد بمعادن أخرى، مثل النيكل، لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تعديل الخصائص. وتشير الحسابات الأولية إلى أن مثل هذا الاستبدال قد يزيد من إمكانات المادة في الموصلية الفائقة. إن اكتشاف هذا الهيكل النموذجي الجديد يغير مجرى الحديث من "هل يمكننا صنع هذه المواد؟" إلى "أي من هذه المواد يمكننا الحفاظ عليها؟". ومن خلال إظهار أن السوبر هيدريد يمكنه البقاء في مرحلة الانتقال من أعماق الأرض إلى طاولة المختبر، فإن هذا العمل يوفر هدفاً ملموساً للجيل القادم من علم المواد، مما يقرب حلم الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة خطوة أخرى من الواقع.