धातु हाइड्रोजन

धात्विक हाइड्रोजन, हाइड्रोजन पदार्थ की एक अवस्था है जिसमें यह विद्युत चालक की तरह व्यवहार करता है। इस अवस्था की भविष्यवाणी 1935 में यूजीन विग्नर और हिलार्ड बेल हंटिंगटन द्वारा सैद्धांतिक आधार पर की गई थी।

उच्च दबाव और तापमान पर, धात्विक हाइड्रोजन ठोस के बजाय आंशिक द्रव के रूप में मौजूद हो सकता है, और शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि यह बृहस्पति और शनि के गर्म और गुरुत्वाकर्षण से संकुचित अंदरूनी हिस्सों के साथ-साथ कुछ एक्सोप्लैनेट्स (वो ग्रह जो कि सूर्य के अलावा किसी और तारे के चारों ओर घूमता है या ऐसा कहें वो गृह जो हमारे सौरमंडल के बाहर किसी तारे की परिक्रमा करता है) में बड़ी मात्रा में मौजूद हो सकता है।

हाइड्रोजन के गुण
हाइड्रोजन में क्षार धातुओं और हैलोजन दोनों के गुण विधमान होने के कारण इसे हाइड्रोजन और हैलोजन दोनों के बीच की सयोंजक कड़ी कहा जाता है। यही कारण है की हाइड्रोजन को आवतृ सारणी में स्थान देने में समस्या उत्पन्न हो रही थी। हाइड्रोजन आवर्त सारणी में एक पहला ऐसा योगिक है जिसका परमाणु क्रमांक एक होता है, जिसका अर्थ है की हाइड्रोजन की बाहरी कक्षा में सिर्फ एक इलेक्ट्रान उपस्थित है. जिससे ये निष्कर्ष निकलता है की हाइड्रोजन की संरचना क्षार धातुओं के सामान है और इसकी बाहरी कक्षा में एक इलेक्ट्रान होने के कारण यह हैलोजन के गुणों से भी समानता प्रदर्शित करता है। जब हाइड्रोजन एक इलेक्ट्रॉन कम कर देता है और एक धनायन बनाता है, तो यह क्षार धातुओं जैसा दिखता है, लेकिन जब यह एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है और एक ऋणायन बन जाता है, तो यह हैलोजन के समान दिखता है। इन गुणों को देखते हुए आवर्त सारणी में हाइड्रोजन की स्थिति एक बड़ा प्रश्न था।

हाइड्रोजन की विशेष विशेषताएं
ब्रह्मांड में हाइड्रोजन सबसे साधारण और प्रचुर तत्व है, यह एक एकल प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन से बना है। सुपरकंडक्टर्स के अध्ययन में द्रव हाइड्रोजन का उपयोग किया जाता है और द्रव ऑक्सीजन के साथ मिलकर एक उत्कृष्ट रॉकेट ईंधन बनाता है। हाइड्रोजन द्वारा अन्य तत्वों के साथ मिलकर कई यौगिक बनते हैं।

हाइड्रोजन का दाब
यद्यपि प्रायः आवर्त सारणी में क्षार धातु वर्ग के शीर्ष पर रखा जाता है, हाइड्रोजन सामान्य परिस्थितियों में क्षार धातु के गुणों को प्रदर्शित नहीं करता है। इसके बजाय, यह द्विपरमाणुक अणु बनाता है और H2 अणु के रूप में अस्तित्व में रहता है, हैलोजन के अनुरूप, यह आवर्त सारणी के कुछ तत्व मे जैसे हैलोजन और कुछ अधातु जैसे नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के समान द्विपरमाणुक H2 अणु बनाता है। द्विपरमाणुक हाइड्रोजन एक गैस है जो वायुमंडलीय दबाव पर द्रव हाइड्रोजन और केवल बहुत कम तापमान (क्रमशः 20 डिग्री और पूर्ण शून्य से 14 डिग्री के ऊपर) पर ठोस हाइड्रोजन होती है। यूजीन विग्नर और हिलार्ड बेल हंटिंगटन ने भविष्यवाणी की थी कि आसपास के भारी दबाव 25 GPa में, हाइड्रोजन धात्विक गुणों को प्रदर्शित करेगा: असतत H2 अणु के बजाय (जिसमें दो प्रोटॉन दो इलेक्ट्रॉनों द्वारा बन्ध बनाता है), एक बल्क अवस्था प्रोटॉन द्वारा एक ठोस जालक का निर्माण करता है और इसमें इलेक्ट्रानों का डिलोकलाइजेशन होता है। तब से, प्रयोगशाला में धात्विक हाइड्रोजन का उत्पादन उच्च दबाव भौतिकी की के रूप में वर्णित किया गया है।

आवश्यक दबाव की मात्रा के बारे में प्रारंभिक भविष्यवाणी अंततः बहुत कम दिखाई गई। विग्नर और हंटिंगटन द्वारा पहले काम के बाद से, अधिक आधुनिक सैद्धांतिक गणना लगभग 400 जीपीए (3,900,000 एटीएम; 58,000,000 पीएसआई) के उच्च लेकिन फिर भी संभावित रूप से प्राप्य धातुकरण दबाव की ओर इशारा करती है।

द्रव धात्विक हाइड्रोजन
हीलियम-4 परम शून्य के पास सामान्य दाब पर एक द्रव हीलियम है, जो इसकी उच्च शून्य-बिंदु ऊर्जा (ZPE) का परिणाम है। सघन अवस्था में प्रोटॉन का जेडपीई भी अधिक होता है, और उच्च दबावों पर आदेश ऊर्जा (जेडपीई के सापेक्ष) में गिरावट की उम्मीद होती है। नील एशक्रॉफ्ट और अन्य लोगों द्वारा तर्क दिए गए हैं कि संपीड़ित हाइड्रोजन में अधिकतम गलनांक होता है, लेकिन 400 GPa के आसपास के दबावों पर घनत्व की एक सीमा हो सकती है, जहां कम तापमान पर भी हाइड्रोजन एक द्रव धातु होगी।

गेंग ने भविष्यवाणी की कि प्रोटॉन का जेडपीई वास्तव में हाइड्रोजन के पिघलने के तापमान को न्यूनतम 200 - 250 K 200 - 250 K तक कम करता है और दबाव को न्यूनतम 500 - 1500 GPa तक कम करता है।

इस समतल क्षेत्र के भीतर द्रव और ठोस अवस्था के बीच एक मौलिक मेसोफ़ेज़ मध्यवर्ती हो सकता है, जो मेटास्टेबल को कम तापमान तक स्थिर कर सकता है और एक सुपरसॉलिड (महाठोस) अवस्था में प्रवेश कर सकता है।

अतिचालकता
1968 में, नील एशक्रॉफ्ट ने सुझाव दिया कि धात्विक हाइड्रोजन कमरे के तापमान (290 K) पर एक अतिचालकता की तरह व्यवहार करता है, यह परिकल्पना चालन इलेक्ट्रॉनों और जाली कंपन के बीच अपेक्षित मजबूत युग्मन (भौतिकी) पर आधारित है।

इसकी वास्तव में 2019 की शुरुआत में पुष्टि हुई थी; धातु हाइड्रोजन को प्रयोगशाला में कम से कम दो बार बनाया गया है, और एक 250K मीस्नर प्रभाव को अस्थायी रूप से देखा गया है लेकिन इसे सिल्वा एट अल द्वारा और फ्रांस की एक टीम द्वारा सत्यापित नहीं किया गया था।

रॉकेट प्रणोदक के रूप में
मेटास्टेबिलिटी धात्विक हाइड्रोजन में अत्यधिक कुशल रॉकेट प्रणोदक के रूप में संभावित हो सकता है, जिसमें 1700 सेकंड तक का सैद्धांतिक विशिष्ट आवेग हो सकता है (संदर्भ के लिए, वर्तमान में सबसे शक्तिशाली रासायनिक रॉकेट प्रणोदक का ISP 500 से कम है ), हालांकि बड़े पैमाने पर उत्पादन और पारंपरिक उच्च मात्रा भंडारण के लिए उपयुक्त मेटास्टेबल मौजूद नहीं हो सकता है। एक अन्य महत्वपूर्ण मुद्दा अभिक्रिया का ताप है, जो किसी भी ज्ञात इंजन सामग्री के उपयोग के लिए 6000 K से अधिक है। इसके लिए जल या द्रव हाइड्रोजन के साथ धात्विक हाइड्रोजन को तनु करने की आवश्यकता होगी, (एक ऐसा मिश्रण जो अभी भी कई वर्तमान प्रणोदकों में से एक प्रणोदक के महत्वपूर्ण प्रदर्शन को बढ़ावा देगा)।

नए प्रकार के क्वांटम द्रव की संभावना
पदार्थ की वर्तमान में ज्ञात "सुपर" अवस्थाएं अतिचालक, अतितरल द्रव पदार्थ, गैसें और सुपरसॉलिड हैं। ईगोर बाबदेव ने भविष्यवाणी की कि यदि हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम में द्रव धात्विक अवस्थाएँ हैं, तो उनके पास क्वांटम आदेशित अवस्थाएँ हो सकती हैं जिन्हें सामान्य अर्थों में अतिचालकता या अतितरल के रूप में वर्गीकृत नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय, वे दो संभावित नए प्रकार के क्वांटम द्रव पदार्थों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं: जैसे अतिचालकता अति तरल और धात्विक अति तरल। ऐसे द्रव पदार्थों की बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों और वक्रता के लिए अत्यधिक असामान्य प्रतिक्रियाओं की भविष्यवाणी की गई थी, जो बाबदेव की भविष्यवाणियों के प्रायोगिक सत्यापन के लिए एक साधन प्रदान कर सकती है। यह भी सुझाव दिया गया है कि, एक चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में, हाइड्रोजन अतिचालकता से अति तरल अवस्था संक्रमण प्रदर्शित कर सकता है और इसके विपरीत।

लिथियम मिश्रधातु अपेक्षित दबाव को कम करती है
2009 में, ज़्यूरेक एट अल ने भविष्यवाणी की है कि मिश्र धातु LiH6 हाइड्रोजन को धातुकृत करने के लिए आवश्यक दबाव के केवल एक चौथाई दबाव पर एक स्थिर धातु होगी, और इसी तरह के प्रभाव LiHn प्रकार के मिश्र धातुओं के लिए होने चाहिए और संभवतः अन्य पॉलीहाइड्राइड, क्षारीय उच्च-हाइड्राइड प्रणालियाँ", अर्थात XHn प्रकार की मिश्र धातुएँ जहाँ X एक क्षार धातु है। इसे बाद में Tc 270K पर AcH8 और LaH10में सत्यापित किया गया है अटकलें लगाई जा रही हैं कि अन्य यौगिक कमरे के तापमान, अतिचालकता के साथ मात्र MPa दबावों पर भी स्थिर हो सकते हैं।

शॉक-वेव कम्प्रेशन, 1996
मार्च 1996 में, लॉरेंस लिवरमोर राष्ट्रीय प्रयोगशाला में वैज्ञानिकों के एक समूह ने बताया कि उन्होंने हजारों केल्विन के तापमान पर लगभग एक माइक्रोसेकेंड के लिए, 1000000 atm से अधिक के दाब पर, और घनत्व लगभग $0.6 g/cm3$ वाली धातु हाइड्रोजन का उत्पादन किया था। टीम को धात्विक हाइड्रोजन का उत्पादन करने की उम्मीद नहीं थी, क्योंकि यह ठोस हाइड्रोजन का उपयोग नहीं कर रहा था जबकि ठोस हाइड्रोजन के बिना धात्विक हाइड्रोजन की खोज नहीं होती, और यह धातुकरण सिद्धांत द्वारा निर्दिष्ट तापमान से ऊपर काम कर रहा था। पिछले अध्ययनों में जिसमें ठोस हाइड्रोजन को 250 GPa (2,500,000 atm; 37,000,000 psi) तक के दबावों के लिए हीरे की निहाई के अंदर संकुचित किया गया था, ने पता लगाने योग्य धातुकरण की पुष्टि नहीं की। टीम ने केवल कम विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता परिवर्तनों को मापने की मांग की थी जिसकी उन्हें उम्मीद थी। शोधकर्ताओं ने 1960 के दशक की लाइट गैस गन का इस्तेमाल किया, जो मूल रूप से गाइडेड मिसाइल अध्ययन में नियोजित थी, एक इंपैक्टर प्लेट को सीलबंद पात्र में शूट करने के लिए जिसमें तरल हाइड्रोजन का आधा मिलीमीटर नमूना था। तरल हाइड्रोजन विद्युत प्रतिरोध को मापने वाले उपकरण की ओर जाने वाले तारों के संपर्क में था। वैज्ञानिकों ने पाया कि जैसे ही दबाव 140 GPa (1,400,000 atm; 21,000,000 psi) तक बढ़ा, विद्युत ऊर्जा, ऊर्जा अंतराल, विद्युत प्रतिरोध, लगभग शून्य हो गया। अपनी असम्पीडित अवस्था में हाइड्रोजन का ऊर्जा अंतराल लगभग $15 eV$ है, जो इसे एक इंसुलेटर बनाता है लेकिन, जैसे-जैसे दबाव काफी बढ़ता है, ऊर्जा अंतराल धीरे-धीरे 0.3 eV तक गिर जाता है। क्योंकि द्रव की ऊष्मीय ऊर्जा (नमूने के संपीड़न के कारण तापमान लगभग 3,000 K या 2,730 °C हो गया) 0.3 eV से ऊपर था।

अन्य प्रायोगिक अनुसंधान, 1996-2004
स्थिर संपीड़न और कम तापमान पर प्रयोगशाला स्थितियों में धात्विक हाइड्रोजन के उत्पादन में कई प्रयोग जारी हैं। 1998 में कॉर्नेल विश्वविद्यालय से आर्थर रूफ और चंद्रभास नारायण, और बाद में 2002 में फ्रांस के कमिश्रिएट ए ल'एनर्जी एटोमिक के पॉल लौबेरे और रेने लेटूलेक ने दिखाया है कि पृथ्वी के केंद्र के पास दाब (320–340 GPa या 3,200,000–3,400,000 atm) और 100–300 K (−173–27 °C) तापमान है गैर-शून्य ऊर्जा अंतराल के कारण, हाइड्रोजन अभी भी एक वास्तविक क्षार धातु नहीं है। कम तापमान और स्थैतिक संपीड़न पर प्रयोगशाला में धात्विक हाइड्रोजन को देखने की खोज जारी है। ड्यूटेरियम पर भी अध्ययन जारी है। गोथेनबर्ग विश्वविद्यालय के शहरयार बादी और लीफ होल्मिड ने 2004 में दिखाया है कि उत्तेजित हाइड्रोजन परमाणुओं (रयडबर्ग पदार्थ) से बने संघनित धात्विक अवस्था धात्विक हाइड्रोजन के प्रभावी प्रवर्तक हैं।

स्पंदित लेजर ताप प्रयोग, 2008
सैद्धांतिक रूप से अधिकतम पिघलने की अवस्था (द्रव धात्विक हाइड्रोजन के लिए पूर्वापेक्षा) की खोज शांति डीम्याद और इसहाक एफ, सिल्वा द्वारा स्पंदित लेजर हीटिंग का उपयोग करके की गई               थी। हाइड्रोजन युक्त आणविक सिलेन  (SiH4) का मिखाइल एरेमेट्स एम.आई. द्वारा धातुकृत होने और अतिचालक बनने का दावा किया गया था। यह दावा विवादित है, और उनके परिणामों को दोहराया नहीं गया है।

द्रव धात्विक हाइड्रोजन का प्रेक्षण, 2011
2011 में एरेमेट्स और ट्रॉयन ने स्थिर दाब 2600000 - 3000000 atm पर हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम की द्रव धात्विक अवस्था का अवलोकन करने की सूचना दी इस दावे पर 2012 में अन्य शोधकर्ताओं ने सवाल उठाया था। यह हाल ही में प्रस्तावित किया गया है कि सितारों में हाइड्रोजन की विद्युत चालकता $1.1 S/m$ होती है।

जेड मशीन, 2015
2015 में, जेड स्पंदित पावर सुविधा के वैज्ञानिकों ने घने तरल ड्यूटेरियम का उपयोग करके धातु के ड्यूटेरियम निर्माण की घोषणा की, जो एक विद्युत इन्सुलेटर-से-चालक संक्रमण है जो प्रकाशिक परावर्तकता में वृद्धि के साथ जुड़ा हुआ है।

ठोस धात्विक हाइड्रोजन का दावा किया गया प्रेक्षण, 2016
5 अक्टूबर 2016 को, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के रंगा डायस और इसहाक एफ. सिलोरा ने प्रायोगिक साक्ष्य के दावों को जारी किया कि ठोस धात्विक हाइड्रोजन को लगभग 495 GPa के दाब और हीरा निहाई सेल का उपयोग करके प्रयोगशाला में संश्लेषित किया गया यह हस्तलिपि अक्टूबर 2016 में उपलब्ध थी, और एक संशोधित संस्करण के बाद में जनवरी 2017 में जर्नल विज्ञान (पत्रिका) में प्रकाशित हुआ था।

पेपर के मुद्रित पूर्व-प्रति संस्करण में, डायस और सिल्वा लिखते हैं:

"" सिल्वा ने कहा कि उन्होंने अपने प्रयोग को नहीं दोहराया, क्योंकि अधिक परीक्षण उनके मौजूदा नमूने को नुकसान पहुंचा सकते थे या नष्ट कर सकते थे, लेकिन वैज्ञानिक समुदाय को आश्वासन दिया कि और परीक्षण आ रहे हैं। उन्होंने यह भी कहा कि दबाव अंततः जारी किया जाएगा, यह पता लगाने के लिए कि क्या नमूना मेटास्टेबल था (यानी, क्या दबाव जारी होने के बाद भी यह अपनी धात्विक अवस्था में बना रहेगा)।

साइंस (पत्रिका) में दावा प्रकाशित होने के कुछ समय बाद प्रकृति समाचार प्रभाग ने एक लेख प्रकाशित किया जिसमें कहा गया कि कुछ अन्य भौतिक वैज्ञानिक ने परिणाम को संदेह के साथ माना। उच्च दबाव अनुसंधान समुदाय के प्रमुख सदस्यों ने दावा किए गए परिणामों की आलोचना की,   और धात्विक हाइड्रोजन की उपस्थिति पर सवाल उठाया।

फरवरी 2017 में, यह बताया गया कि दावा किए गए धात्विक हाइड्रोजन का नमूना खो गया था, हीरे की निहाई के टूटने के बाद यह टूट गया था।

अगस्त 2017 में, सिल्वा और डायस ने प्राकृतिक हीरे के प्रकाशिक घनत्व और उनके पूर्व-संपीड़न हीरे की निहाई सेल में उपयोग किए जाने वाले कृत्रिम हीरे के बीच भिन्नता के कारण सही परावर्तन मूल्यों के बारे में विज्ञान लेख के लिए इरेटा जारी किया ।

जून 2019 में कमिश्रिएट ए ल'एनर्जी परमाणु और औक्स ऊर्जा विकल्प (फ्रेंच वैकल्पिक ऊर्जा और परमाणु ऊर्जा आयोग) की एक टीम ने इलेक्ट्रॉन किरण मशीनीकरण का उपयोग करके उत्पादित एक टॉरॉयडल प्रोफाइल डायमंड एविल सेल का उपयोग करके लगभग 425GPa पर धातु हाइड्रोजन बनाने का दावा किया।

राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा, 2018 में द्रव ड्यूटेरियम पर प्रयोग,
अगस्त 2018 में, वैज्ञानिकों ने 2000 K से नीचे धातु के रूप में एक इन्सुलेट से द्रव ड्यूटेरियम के तेजी से परिवर्तन के संबंध में नई टिप्पणियों की घोषणा की । प्रयोगात्मक डेटा और क्वांटम मोंटे कार्लो सिमुलेशन के आधार पर भविष्यवाणियों के बीच उल्लेखनीय समझौता पाया जाता है, जो आज तक की सबसे सटीक विधि होने की उम्मीद है। इससे शोधकर्ताओं को विशाल गैस ग्रहों, जैसे कि बृहस्पति, शनि और संबंधित एक्सोप्लैनेट को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिल सकती है, क्योंकि ऐसा माना जाता है कि ऐसे ग्रहों में बहुत अधिक तरल धात्विक हाइड्रोजन होता है, जो उनके देखे गए शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।

यह भी देखें

 * हाइड्राइड#अंतरालीय हाइड्राइड्स या धात्विक हाइड्राइड्स
 * हाइड्रोजन सुरक्षा#क्रायोजेनिक्स
 * जूनो (अंतरिक्ष यान)
 * धातुकरण दबाव
 * नर्म हाइड्रोजन
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा

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