Superatomic hydrogen: achieving effective aggregation of hydrogen atoms at pressures lower than that of metallic hydrogen

हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे आम तत्व है, फिर भी उन स्थितियों में जो हम रोज़ाना अनुभव करते हैं, यह परमाणुओं के जोड़ों के रूप में स्वतंत्र रूप से तैरते हुए एक गैस के रूप में मौजूद होता है। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिक सोच रहे हैं कि क्या होता है जब इस गैस को अत्यधिक बल के साथ दबाया जाता है। सिद्धांत यह सुझाव देता है कि यदि पर्याप्त दबाव डाला जाए, तो हाइड्रोजन के जोड़ों को थामे रखने वाले बंधन टूट जाएंगे, जिससे परमाणु एक ठोस अवस्था में मजबूर हो जाएंगे जहाँ उनके इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूम सकें। यह अवस्था, जिसे धात्विक (मेटालिक) हाइड्रोजन के रूप में जाना जाता है, एक धातु की तरह व्यवहार करेगी और नियंत्रित परमाणु संलयन (न्यूक्लियर फ्यूजन) को प्राप्त करना आसान बनाकर ऊर्जा उत्पादन में क्रांति ला सकती है। हालाँकि, प्रयोगशाला में इस अवस्था को बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन साबित हुआ है। साधारण हाइड्रोजन को इस धात्विक रूप में बदलने के लिए आवश्यक दबाव इतना अत्यधिक है—पृथ्वी के केंद्र के दबाव से सैकड़ों गुना अधिक—कि कई प्रयासों के बावजूद दशकों से यह पहुंच से बाहर रहा है।

जिलिन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस मायावी अवस्था के लिए एक अलग मार्ग प्रस्तावित किया है, जिसमें हाइड्रोजन के एक ब्लॉक को धातु बनने तक दबाने की आवश्यकता नहीं है। हाइड्रोजन की एक बड़ी मात्रा को एक साथ दबाने के बजाय, उन्होंने केवल तेरह हाइड्रोजन परमाणुओं की एक छोटी, विशिष्ट व्यवस्था पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने एक ऐसी संरचना की कल्पना की जहाँ एक हाइड्रोजन परमाणु केंद्र में स्थित होता है, जो बारह अन्य परमाणुओं की एक परत से घिरा होता है, जो एक पिंजरे का निर्माण करता है। इस छोटे क्लस्टर (समूह) के व्यवहार को दबाव के तहत मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि यह विशिष्ट व्यवस्था उस दबाव से बहुत कम पर एक धात्विक जैसी अवस्था प्राप्त कर सकती है जो पहले संभव माना जाता था। अध्ययन सुझाव देता है कि हाइड्रोजन परमाणुओं को इन छोटे, स्थिर क्लस्टरों में व्यवस्थित करके, एक ऐसा पदार्थ बनाना संभव हो सकता है जो धात्विक हाइड्रोजन के प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक गुणों को साझा करता है, बिना उन विनाशकारी बलों की आवश्यकता के जिन्होंने वैज्ञानिकों को लंबे समय से उलझा रखा है।

शोधकर्ताओं ने इस तेरह-परमाणु क्लस्टर का निर्माण करके शुरुआत की, जिसे उन्होंने H13 नाम दिया, और फिर इसे कसकर दबाने की प्रक्रिया का अनुकरण (सिमुलेशन) किया। उन्होंने बारीकी से देखा कि इलेक्ट्रॉन, जो आमतौर पर अपने स्वयं के परमाणुओं के करीब रहते हैं, संपीड़न (कंप्रेशन) के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। शुरुआत में, जब परमाणु दूर-दूर थे, तो इलेक्ट्रॉन स्थानीयकृत (लोकलाइज्ड) रहे, अपने व्यक्तिगत घरों से चिपके रहे। लेकिन जैसे-जैसे केंद्रीय परमाणु और बाहरी परत के बीच की दूरी कम हुई, एक उल्लेखनीय परिवर्तन हुआ। केंद्रीय हाइड्रोजन परमाणु ने अपना इलेक्ट्रॉन त्यागना शुरू कर दिया, और वह इलेक्ट्रॉन, अन्य परमाणुओं के साथ मिलकर, पूरे क्लस्टर को कवर करने के लिए फैल गया। इसने एक ऐसी अवस्था बनाई जहाँ इलेक्ट्रॉन पूरी संरचना में स्वतंत्र रूप से घूम सकते थे, जो एक धातु को परिभाषित करने वाला व्यवहार है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह संक्रमण तब हुआ जब क्लस्टर को लगभग 1.9 एंगस्ट्रॉम की त्रिज्या तक संकुचित किया गया, एक ऐसी दूरी जो इतनी छोटी है जिसे अरबोंवें हिस्से में मापा जाता है।

यह खोज क्यों महत्वपूर्ण है, इसका कारण वह बल है जो इस परिवर्तन को प्रेरित करने के लिए आवश्यक है। सिमुलेशन ने दिखाया कि H13 क्लस्टर को इस नई, विस्थानीकृत (डिलोकलाइज्ड) अवस्था में धकेलने के लिए आवश्यक दबाव पारंपरिक धात्विक हाइड्रोजन बनाने के लिए आवश्यक दबाव से लगभग दो क्रम (ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड) कम था। जबकि एक थोक (बल्क) सामग्री से धात्विक हाइड्रोजन बनाने के लिए 500 गीगापास्कल से अधिक के दबाव की आवश्यकता हो सकती है, इस 'सुपरएटॉमिक' क्लस्टर ने 6.2 गीगापास्कल जैसे कम दबाव पर एक समान इलेक्ट्रॉनिक अवस्था प्राप्त की। इसे समझने के लिए, आवश्यक दबाव पृथ्वी की गहराई में पाए जाने वाले दबाव के तुल्य है, न कि बल्क सामग्री के लिए आवश्यक असंभव चरम सीमाओं के। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह "सुपरएटॉमिक" अवस्था स्थिर थी और इलेक्ट्रॉन वास्तव में विस्थानीकृत थे, जिसका अर्थ है कि वे पूरे अणु में साझा किए गए थे न कि किसी एक परमाणु के थे। यह व्यवहार धात्विक हाइड्रोजन के गुणों को दर्शाता है, जो सुझाव देता है कि क्लस्टर एक एकल, विशाल परमाणु के रूप में कार्य करता है जिसकी अपनी अनूठी इलेक्ट्रॉनिक संरचना है।

टीम ने यह भी पता लगाया कि क्या यह प्रभाव उनके मॉडल के पूर्ण, गोलाकार आकार के लिए अद्वितीय था या क्या यह कम आदर्श स्थितियों में भी बना रहेगा। उन्होंने क्लस्टर के विभिन्न रूपों का परीक्षण किया, जिसमें दीर्घवृत्ताकार (एलिप्सॉइड) में खिंचे हुए आकार और बिना केंद्र वाले बारह परमाणुओं वाले क्लस्टर शामिल थे। हर मामले में, सिमुलेशन ने संकेत दिया कि ये संरचनाएं अभी भी बल्क धात्विक हाइड्रोजन के लिए आवश्यक दबावों की तुलना में काफी कम दबाव पर एक सुपरएटॉमिक अवस्था प्राप्त कर सकती हैं। हालांकि क्लस्टर के आकार और समरूपता के आधार पर सटीक दबाव थोड़ा भिन्न था, लेकिन रुझान स्पष्ट था: हाइड्रोजन को इन विशिष्ट पिंजरों में व्यवस्थित करने से धात्विक जैसी अवस्था बनाने की बाधा कम हो जाती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि केंद्रीय परमाणु वाले H13 क्लस्टर को सबसे कम दबाव की आवश्यकता थी, फिर भी अन्य विन्यास एक अधिक सुलभ मार्ग प्रदान करते थे।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने तत्काल उपयोग के लिए फ्यूजन रिएक्टरों में धात्विक हाइड्रोजन बनाने की समस्या को हल कर लिया है। इसके बजाय, यह एक आवश्यक स्थितियों को प्राप्त करने के लिए एक नया सैद्धांतिक ढांचा और एक संभावित रणनीति प्रदान करता है। शोध पत्र एक प्रमुख वैज्ञानिक बाधा को उजागर करता है जो शेष है: वास्तविक दुनिया के प्रयोग में इन छोटे हाइड्रोजन पिंजरों को भौतिक रूप से कैसे बनाया और रखा जाए। सिमुलेशन दिखाते हैं कि भौतिकी काम करती है, लेकिन चुनौती अब एक ऐसी प्रणाली को इंजीनियर करने की है जो हाइड्रोजन परमाणुओं को इस विशिष्ट व्यवस्था में कैद कर सके और आवश्यक दबाव बनाए रख सके। यदि वैज्ञानिक इन पिंजरों को बनाने का तरीका खोज लेते हैं, शायद अन्य सामग्रियों का उपयोग करके हाइड्रोजन को स्थिर रखने के लिए, तो यह ब्रह्मांड के सबसे चरम दबावों की आवश्यकता के बिना धात्विक हाइड्रोजन के गुणों का अध्ययन करने का द्वार खोल सकता है। अध्ययन सुझाव देता है कि धात्विक हाइड्रोजन के रहस्यों को खोलने का मार्ग कच्चे बल (ब्रूट फोर्स) के माध्यम से नहीं, बल्कि परमाणुओं को स्थिर, सुपरएटॉमिक क्लस्टरों में चतुर व्यवस्था के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।