Tutkija tavoittelee vedyn muuttamista metalliksi (Väitös: MSc Sergei Sheludiakov, 3.3.2017, fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 27.2.2017

Vetyatomi on yksinkertaisin ja yleisin alkuaine maailmankaikkeudessa. Vety on kuitenkin hyvin reaktiivinen ja muodostaa helposti molekyyleja. Sen vuoksi normaaleissa olosuhteissa maapallolla vety on molekylaarinen kaasu tai se on osana muita kemiallisia yhdisteitä. Lämpötilaa laskettaessa molekylaarinen vetykaasu ensin nesteytyy ja sen jälkeen kiinteytyy, kun lämpötila on noin 20 astetta absoluuttisen nollalämpötilan yläpuolella.

Väitöstutkimuksessaan Sheludiakov tarkasteli hyvin ohuita molekylaarisen vedyn isotooppien muodostamia kalvoja, joissa osa molekyyleistä on korvattu vetyatomeilla. Tutkimuksessa Sheludiakov saavutti suurimmat vetyatomien tiheydet kiinteässä vedyssä kuin mitä laboratorio-oloissa on koskaan saavutettu.

– Tällöin atomit alkoivat muodostaa molekyyleja räjähdysmäisen nopeasti, johtaen näytteen osittaiseen höyrystymiseen. Mittasin myös vedyn eri isotooppien välisten kemiallisten reaktioiden nopeuksia. Uskon, että tulokset edistävät nykyisiä teorioita yksinkertaisimmista kemiallisista reaktioista, Sheludiakov sanoo.

Hiljattain raportoitiin, että vedyn metallinen olomuoto oli viimein saavutettu laboratoriossa valtavassa paineessa ja matalassa lämpötilassa. Tutkimuksessaan Sheludiakov havaitsi vetyatomien muodostavan pareja, joita voidaan pitää ensimmäisenä askeleena kohti metallista vetyä paineistamattomassa aineessa.

Vetyä pidettiin lupaavana rakettipolttoaineena 1950-luvun alussa, jolloin alkoi kilpailu mahdollisimman suurien vetyatomitiheyksien saavuttamiseksi kiinteässä vedyssä. Sheludiakovin tutkimuksen kohteena olivat kuitenkin äärimmäiset kvanttiominaisuudet sekä kiinteässä että atomisessa vedyssä.

– Mikroskooppinen kvanttidiffuusio, kvanttikemialliset reaktiot kiinteässä aineessa sekä mahdollisuus saavuttaa vetyatomien Bosen-Einsteinin kondensaatio molekylaarisessa vedyssä ovat tutkimukseni kiehtovimpia kohteita, Sheludiakov sanoo.

Väitöstutkimus on jatkoa vuonna 2006 alkaneelle projektille, jossa suoritettiin ensimmäiset tutkimukset kiinteään vetyyn loukkuuntuneilla vetyatomeilla alle yhden Kelvinin lämpötiloissa. Väitöstutkimuksessa tarkastelu laajennettiin vedyn raskaampiin isotooppeihin: deuteriumiin, vetydeuteridiin sekä tritiumiin.

– Tyypillisesti lämpötilaa laskettaessa kemialliset prosessit aluksi hidastuvat kunnes lopulta pysähtyvät. Kiehtova havainto oli, että vetyisotooppien väliset kemialliset reaktiot olivat tehokkaita vielä 0,1 Kelvinin lämpötiloissa, mikä oli kertaluvun lasku lämpötilassa verrattuna aiempiin kokeisiin. Havaitsimme kemiallisia reaktioita kiinteässä aineessa luultavasti matalimmissa lämpötiloissa koskaan, Sheludiakov toteaa.

***

MSc Sergei Sheludiakov esittää väitöskirjansa Magnetic Resonance Study of Atomic Hydrogen Stabilized in Matrices of Hydrogen Isotopes Below 1 K julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 3.3.2017 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Markku Räsänen (Helsingin yliopisto) ja kustoksena professori Petriina Paturi (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

MSc Sergei Sheludiakov on syntynyt vuonna 1987 ja kirjoittanut ylioppilaaksi Kaliningradissa Venäjällä 2005. Korkeakoulututkintonsa (MSc) Sheludiakov suoritti Turun yliopistossa vuonna 2011. Väitöksen alana on fysiikka. Sheludiakov työskentelee tohtorikoulutettavana Turun yliopistossa.

Väittelijän yhteystiedot: p. +35823335939, seshel(at)utu.fi

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/sheludiakov_sergei.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/131018