Hidrogen Berwujud Solid Metalik

Ini adalah saduran saya dari artikel Science Magazine berjudul “Diamond vis turns hydrogen into a metal, potentially ending 80-year quest.”

Penafian: tulisan ini belum saya edit, kemungkinan masih ada kekeliruan, baik itu teks maupun konteks.

Akhirnya fisikawan memiliki hidrogen dalam wujud metal, sebuah pencarian 80 tahun lebih.

Dua jarum berlian menggencet hidrogen dengan tekanan melebihi tekanan di dalam pusat Bumi.

Bulan Oktober yang lalu, Isaac Silvera (fisikawan dari Harvard University) mengundang sejumlah kolega ke labnya untuk melihat sesuatu yang mungkin tidak akan pernah ada di mana pun di alam semesta ini. Apa yang mereka melihat menjadi buah bibir dan besok paginya muncul antrian. Sepanjang hari ratusan orang antri untuk melihat di bawah mikroskop sebuah titik perak kemerahan yang terperangkap di antara dua ujung jarum berlian. Silvera menutup labnya pada pukul 6 p.m. untuk pulang. “Butuh beberapa pekan kegembiraan ini hilang,” katanya.

Kegembiraan itu menghebohkan karena Silvera dan postdoc-nya Ranga Dias menemukan petunjuk bahwa hidrogen berubah wujud menjadi metal solid setelah digencet dengan tekanan yang melebihi tekanan di pusat Bumi. Pada wujud ini, hidrogen memiliki kemampuan untuk mengantarkan arus listrik. “Jika ini benar, ini jelas sesuatu yang fantastis,” kata Reinhard Boehler, seorang fisikawan dari Carnegie Institution for Science, Washington D.C. “Ini adalah sesuatu yang kami sebagai sebuah kominitas telah dan sedang berusaha untuk mendapatkannya selama berdekade-dekade.”

Hasil ini, telah dilaporkan di Science daring pekan ini, lebih dari sekadar sebuah keanehan. Hidrogen solid metalik diperkirakan sebuah superkonduktor, mampu mengalirkan arus listrik tanpa hambatan sama sekali. Hidrogen solid metalik ini bahkan mungkin dalam keadaan metastabil sepertinya halnya berlian yang terbentuk pada tekanan tinggi. Artinya, setelah dikembalikan pada temperatur dan tekanan ruang, hidrogen ini tetap dalam keadaan metal solid dan bahkan tetap mempertahankan sifat superkonduktivitasnya.

Klaim hidrogen berwujud metal solid sudah pernah ada sebelumnya, tapi sejumlah pakar masih menginginkan bukti yang lebih meyakinkan. “Dari sudut pandang kami ini belum meyakinkan,” kata Mikhail Eremets, yang juga sedang berusaha membuat hidrogen solid metalik di Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, Jerman. Para ilmuwan lain yang juga membidik misi yang sama rada-rada geram dengan hasil Silvera ini. “Kata ‘sampah’ saja tidak cukup untuk mendeskripsikannya,” kata Eugene Gregoryanz, seorang fisikawan ahli di bidang tekanan-tinggi dari University of Edinburgh yang telah menolak sejumlah prosedur eksperimen yang menggunakan teknik tekanan tinggi sebelumnya.

Ketidaksetujuan di kalangan pakar ini terjadi karena eksperimen hidrogen pada tekanan tinggi sulit untuk dilakukan dan bahkan hasilnya sangat sulit untuk dipahami. Bayangkan: Pertama para ilmuwan meletakkan sebuah sebuah gasket metal tipis di antara dua ujung jarum berlian yang datar. Kemudian gasket tersebut menahan hidrogen yang berada di antara dua jarum berlian tersebut. Setelah itu hidrogen ditekan oleh dua jarum berlian tersebut. Tekanan yang tinggi dapat memaksa hidrogen untuk merusak permukaan berlian sehingga kedua jarum tersebut menjadi rapuh dan retak. Oleh sebab itu para peneliti harus melapisi berlian ini dengan material transparan sebagai pelindungnya. Tapi, material tambahan ini menyulitkan para peneliti untuk memahami hasil-hasil pengukuran (yang dilakukan dengan laser) pada objek eksperimen. Lebih jauh lagi, jika tekanan melebihi 400 gigapaskal (4 juta kali tekanan atmosfer), hidrogen menjadi gelap sehingga laser sulit mendeteksinya.

Para ilmuwan sudah dapat membuat hidrogen dalam wujud metal likuid dengan cara menaikkan tekanan hidrogen pada temperatur tinggi. Hidrogen metal likuid adalah zat yang diperkirakan membuat interior planet-planet raksasa seperti Jupiter. Silvera menginginkan kondisi temperatur rendah untuk mengubah hidrogen menjadi sesuatu yang eksotik: metal solid. Pada temperatur rendah hidrogen dapat berwujud likuid. Saat tekanan dinaikkan, hidrogen cair ini dengan cepat menjadi solid nonmetalik (lihat gambar). Pada tahun 1935, Eugene Wigner dan Hillard Bell Huntington (fisikawan dari Princeton University) memprediksi bahwa di atas 25 GPa, hidrogen solid nonkonduktif ini akan menjadi metalik. Kondisi tekanan ini telah dicapai oleh para ilmuwan selama beberapa dekade yang lalu, tapi tidak ada tanda-tanda hidrogen menjadi solid metalik.

Fase hidrogen pada keadaan (temperatur, tekanan).

 

Pekerjaan Silvera dan Dias berada di wilayah temperatur rendah tapi tekanan sangat tinggi. Dan, mereka mengklaim pekerjaan mereka telah masuk ke daerah yang belum pernah dipelajari sebelumnya. Mereka juga mengklaim berhasil menghindari pemantauan berkelanjutan laser intensitas tinggi yang dapat merusak tempat berlian diletakkan. Pada akhirnya, saat mereka mendekati 500 GPa, sampel hitam tersebut menjadi terang kemerah-merahan. Sampel kemudian ditembak dengan laser inframerah intensitas rendah — yang tidak akan merusak berlian — dan menunjukkan resonansi yang kuat pada daerah reflektansi sampel. Resonansi pada daerah reflektansi adalah sifat yang diharapkan dari sebuah metal. Setelah itu, peneliti dari Harvard ini menggunakan laser lain untuk melakukan spektroskopi Raman sebagai prosedur untuk verifikasi spektrum yang mereka dapatkan.

Silvera dan Dias mengakui bahwa bintik perak kemerahan yang mereka dapatkan bisa jadi menunjukkan fase likuid hidrogen, alih-alih metal. Mereka belum berani untuk melepaskan sampel mereka dari ujung jarum berlian tersebut. Meskipun demikian mereka yakin bahwa yang mereka dapatkan adalah hidrogen dalam fase solid metalik — sebuah klaim yang sangat meyakinkan, kata Neil Ashcroft, seorang fisikawan dari Cornell University yang juga memprediksi keadaan superkonduktif hidrogen hampir 50 tahun yang lalu.

Eremets dan yang lain tetap meminta bukti lebih bahwa tim Silvera benar-benar telah membuat metal solid dari hidrogen, atau bahkan benar-benar metal. “Kita hanya melihat satu eksperimen. Eksperimen itu harus dapat diulangi lagi,” kata Eremets. Dia juga bertanya-tanya apakah tim Silvera benar-benar berhasil mencapai 495 GPa seperti yang mereka klaim, karena pada kondisi ini butuh pemantauan berkelanjutan laser Raman. Silvera dan Dias memang terpaksa memperkirakan tekanan dari jumlah putaran berlian yang dilakukan saat menggencet hidrogen, kecuali pada kondisi final di 495 GPa. Raymond Jeanloz, seorang fisikawan ahli di bidang tekanan-tinggi dari University of California juga meminta kepastian bahwa sampel yang tergencet benar-benar hidrogen, karena gasket atau berlian yang dilapisi material pelindung dapat pecah dan bereaksi pada temepratur tinggi. “Kejadian ini sudah pernah menipu kita pada masa lalu,” katanya.

Tapi Silvera tetap pada keyakinannya. Sebuah perbandingan pengukuran-pengukuran reflektansi dari pusat atom hidrogen dan gasketnya pada 495 GPa menunjukkan bahwa hidrogen di dalam gasket itu benar-benar murni hidrogen, kata Silvera. Perihal pengukuran tekanan, Silvera kukuh bahwa timnya telah mempelajari dengan seksama dan memverifikasi kalibrasi alat-alat mereka.

Silvera memang baru punya satu kali eksperimen yang dapat dilaporkan. Mereka ingin mengumumkan hasilnya setelah melakukan serangkaian uji lanjut. Misalnya mereka akan segera melakukan uji tambahan laser Raman untuk mendapatkan apakah sampel tersebut memiliki kisi atom reguler seperti yang umum dimiliki metal solid. Pada akhirnya mereka akan melepaskan gencetan untuk memastikan apakah benar metal tersebut metastabil.

Jika sudah mencapai fase itu, mereka akan mengulangi lagi eksperimen ini. Untuk dapat memenangi “pertempuran hidrogen,” istilah Jeanloz untuk menggambarkan kompetisi di bidang ini, memang membutuhkan dua atau tiga kali eksperimen lagi.

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

Leave a Reply