Harvard

Metallinen vety on omituinen idea vuodelta 1935.

Vety kun normaalisti on eriste, mutta metallisena se johtaisi sähköä erinomaisesti. Sen avulla voisi tehdä esimerkiksi suprajohteita, jotka toimisivat huoneenlämmössä. Lisäksi siihen on puristuneena pieneen tilaan paljon energiaa, joten sitä voisi käyttää superpolttoaineena. Ja ellei muuta, niin metallivety on tieteellisesti erittäin kiinnostava aine, koska sitä ei ole koskaan nähty aikaisemmin.

Teorian mukaan sitä tosin olisi erimerkiksi jättiläisplaneettojen ytimissä ja kenties maapallonkin keskellä – mutta nyt sitä on siis pystytty tekemään laboratoriossa.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä kertoo tuoreessa Science-lehdessä tästä onnistumisestaan. Artikkelin luonnos on ollut luettavissa jo lokakuusta arXiv.org -palvelussa.

Professorit Thomas Cabot ja Isaac Silvera sekä tohtoritutkija Ranga Dias ovat tutkineet vedyn muuttamista metalliseksi jo pitkään.

He puristivat hyvin pientä määrää vetyä kahden timantin välissä 495 gigapascalin paineella, eli paineella, joka on selvästi suurempi kuin vallitsee maapallon ytimessä. Näin suuressa paineessa kiinteä atomaarinen vety – siis "tavallinen" jäätynyt vety – muuttuu metallin omaiseksi, koska sen molekyylirakenne murtuu.

Sen jälkeen, kun vety on muuttunut metalliseksi, on se teorian mukaan hyvin pysyvä. Eli kun painetta vähennetään, se pysyy metallina samaan tapaan kuin timantit pysyvät timantteina sen jälkeen, kun ne ovat syntyneet hiilestä erittäin suuressa paineessa ja lämpötilassa.

Näin metallista vetyä voitaisiin käyttää suprajohteena melkeinpä missä vain ilman suuria ja hankalia jäähdytyslaitteita. Suuren energiatiheytensä ansiosta se voisi toimia myös polttoaineena esimerkiksi raketeissa tai lentokoneissa, joissa pieneen tilaan olisi hyvä saada pakattua mahdollisimman paljon energiaa.

Vety muuttuu metalliseksi kuvasarjassa, missä paine kasvaa vasemmalta oikealle mentäessä.

Näin siis teorian mukaan: Harvardin tutkijaryhmä ei ole onnistunut vielä mittaamaan synnyttämäänsä metallista vetyä, vaan siinä kuvataan aineen syntyneen ja hehkutetaan millaista se mahdollisesti on.

Tämän vuoksi monet pitävät sitä ennenaikaisesti julkaistuna ja puolivalmiina.

Kiinnostavinta metallisessa vedyssä on sen sähkönjohtokyky, mitä olisi ollut hyvä mitata jo kunnolla. Nyt tutkijat ovat vain arvelleet sitä aineen valonheijastuskyvyn perusteella.

Ennen metalliseksi muuttumistaan vety käy läpi varsin omituisia vaiheita. Kun normaalisti vety on läpinäkyvää, se muuttuu voimakkaasti puristettaessa ensin lähes mustaksi ja imee itseensä melkein kaiken siihen osuvan valon. Paineen kasvaessa valonheijastuskyky kasvaa ja lopulta metallinen vety heijastaa hyvin valoa, kuten kiiltävät metallit yleensä.

Amerikkalaisryhmä onkin arvioinut metallisuutta "vain" valonheijastuskykyä havaitsemalla, ei suoraan mittaamalla. Keino voi olla toimiva, mutta se on epäsuora, eikä sitä ole voitu vielä varmistaa.

Silti löytö on erittäin kiinnostava ja lupaava, mutta vaatii lennokkaan lehdistötiedotteen tekemisen lisäksi vielä hieman lisätutkimusta.

Erilaisissa optisissa laitteissa – esimerkiksi kaukoputkissa, kameroissa ja mikroskoopeissa – käytettävissä linsseissä on paha perusvika: kromaattinen aberraatio eli värivirhe.

Syynä ei ole huolimaton linssien hionta, vaan kyse on valon ominaisuudesta. Eri aallonpituudet eli värit taittuvat hieman eri tavalla sekä kulkiessaan ilmasta lasiin että linssin läpäistyään lasista takaisin ilmaan. Eri värit keskittyvät hieman eri polttopisteisiin, jolloin syntyvässä kuvassa kohteiden reunoilla näkyy sinistä ja punaista, pahimmillaan muidenkin värien kajastusta.

Kromaattista aberraatiota voi vähentää rakentamalla linssin erilaisista lasilaaduista, jotka taittavat valoa hieman toisistaan poikkeavalla tavalla, ja hiomalla elementit kuperiksi tai koveriksi siten, että niiden värivirheet kumoavat toisensa. Ratkaisu on kuitenkin työläs ja linssisysteemille kertyy sekä painoa että hintaa.

Kaukoputkissa ongelman voi välttää käyttämällä linssin sijasta koveraa, paraboloidin muotoista peiliä, jossa värivirhettä ei esiinny lainkaan. Peilipinta heijastaa kaikki aallonpituudet samaan polttopisteeseen. Useimmissa optisissa laitteissa peilistä ei kuitenkaan ole ratkaisuksi.

Nyt Harvardin yliopistossa on kehitetty linssi, joka ei ole kupera eikä kovera, vaan lätyskäinen, tasapaksu lasilevy. Hyvin ohuen "linssin" pinnalla on piistä koostuvia ulokkeita, "nanoantenneja", joiden ansiosta eri aallonpituudet eli valon eri värit keskittyvät kiltisti yhteen ja samaan polttopisteeseen.

Kuva: Patrice Genevet, Federico Capasso, Francesco Aieta / Harvard SEAS

Uudenlainen linssi ei vielä selviä kaikista mahdollisista aallonpituuksista eli valon koko spektristä, mutta nanotekniikkaan perustuva "akromaattinen metapinta" voidaan suunnitella siten, että esimerkiksi sininen, vihreä ja punainen osuvat yksiin.

Toistaiseksi hallittavien aallonpituuksien lukumäärä on juuri kolme, mutta Fererico Capasson johtaman tutkijaryhmän tekemien tietokonemallinnusten mukaan aallonpituuksien määrää on mahdollista kasvattaa.

Toisaalta useammista elementeistä kootut akromaattiset ja apokromaattiset linssitkään eivät tarkkaan ottaen ole värivirheettömiä kuin tietyillä aallonpituuksilla.

Ryhmä kehitti jo vuonna 2012 litteän linssin, joka taittoi vain yhtä aallonpituutta ja sitäkin heikosti, mutta nanoantennien materiaalin vaihto metallista puolijohteeksi paransi linssin taittotehoa. Yhdessä uuden rakenteen kanssa se myös lisäsi samaan polttopisteeseen keskittyvien aallonpituuksien määrää.

Yhdistämällä kaksi litteää linssiä voidaan esimerkiksi toteuttaa systeemi, jossa ensimmäinen akromaattinen metapinta taittaa ensin kolme aallonpituutta täsmälleen samaan suuntaan – eli käytännössä valikoi valosta kolme eri väriä – ja toinen metapinta keskittää ne tarkasti samaan polttopisteeseen. Näin saadaan aikaiseksi täysin värivirheetön kuva.

Litteään linssiin perustuvat optiset laitteet on mahdollista tehdä paljon pienemmiksi ja kevyemmiksi kuin perinteiset, useista linsseistä rakentuvat ratkaisut. Samalla ne "säästävät" valoa. Jos himmeästä kohteesta tuleva valo kulkee monen linssin läpi, huomattava osa siitä imeytyy linsseihin ja kohde näyttää entistä himmeämmältä. Ohuessa, litteässä linssissä hävikki on käytännössä olematon.

Uudenlaisesta linssistä kerrottiin Harvardin yliopiston tiedotteessa ja tutkimus julkaistiin Science-tiedelehdessä (maksullinen) 19. helmikuuta.

Tagit

Harvard