কঠিন হাইড্রোজেন

কঠিন হাইড্রোজেন হলো হাইড্রোজেনের কঠিন অবস্থা, এই অবস্থা অর্জিত হয় হাইড্রোজেনের তাপমাত্রা তার গলনাঙ্ক -এর নিচে নামিয়ে। ১৮৯৯ সালে জেমস ডিওয়ার প্রথমবারের মতো এটি সংগ্রহ করেছিলেন এবং তাঁর গবেষণাটি "রসায়ন এবং পদার্থবিদ্যার ইতিহাস" () জার্ণালের ৭ম সিরিজ, অষ্টাদশ খণ্ড, অক্টোবর ১৮৯৯ সংখ্যায় "হাইড্রোজেনের হিমাঙ্কের উপর" () শিরোনামে প্রকাশ করেছিলেন। কঠিন হাইড্রোজেন একটি নীল-সাদা রঙের পদার্থ, যার ঘনত্ব ০.০৮৬ গ্রাম/ঘনসেমি, অর্থাৎ এটি কম ঘনত্বের অন্যতম একটি কঠিন পদার্থ।
নিম্ন তাপমাত্রায় এবং প্রায় ৪০০ গিগাপাস্কাল (৩,৯০০,০০০ অ্যাটমসফিয়ার) পর্যন্ত চাপে, হাইড্রোজেন বিচ্ছিন্ন H অণু থেকে গঠিত কঠিন পর্যায়গুলির একটি ক্রম গঠন করে। প্রথম পর্যায়ে নিম্ন চাপ ও তাপমাত্রায় কঠিন হাইড্রোজেন একটি ষড়ভুজাকার ক্লোজ-প্যাক কাঠামো তৈরি করে, যেখানে H অণুগুলি মুক্তভাবে ঘোরাফেরা করে। নিম্ন তাপমাত্রায় চাপ বাড়িয়ে ১১০ গিগাপাস্কাল করার পর দ্বিতীয় পর্যায় আসে। দ্বিতীয় পর্যায় হল একটি ভাঙা-প্রতিসাম্য কাঠামো যেখানে H অণুগুলি আর অবাধে ঘুরতে সক্ষম হয় না। নিম্ন তাপমাত্রায় চাপ বাড়িয়ে প্রায় ১৬০ গিগাপাস্কালে পৌঁছোলে, রূপান্তরের তৃতীয় পর্যায় আসে। তাপমাত্রা বৃদ্ধির করে কয়েকশত কেলভিন এবং চাপ বাড়িয়ে ২২০ গিগাপাস্কাল করা হলে, হাইড্রোজেন চতুর্থ পর্যায়ে রূপান্তরিত হয়।
আণবিক কঠিন হাইড্রোজেনের বিভিন্ন পর্যায়গুলির পারমাণবিক কাঠামো সনাক্ত করা অত্যন্ত কঠিন, কারণ হাইড্রোজেন পরমাণুগুলি এক্স-রশ্মির সাথে খুব দুর্বলভাবে ক্রিয়া করে এবং কেবলমাত্র কঠিন হাইড্রোজেনের খুব ছোট অংশ হীরার অ্যানভিল কোষে পাওয়া যেতে পারে। অতএব এক্স-রে বিচ্ছুরণ এই কাঠামো সম্পর্কে বিশেষ তথ্য তথ্য প্রদান করতে পারেনা। তবুও, নমুনার রমন বর্ণালীতে আকস্মিক পরিবর্তনের সন্ধান করে পর্যায় রূপান্তর শনাক্ত করা যায়। অধিকন্তু, পরীক্ষামূলক রমন বর্ণালি এবং প্রথম-নীতির মডেলিংয়ের সংমিশ্রণ থেকে পরমাণু কাঠামোর অনুমান করা যেতে পারে।
প্রতিটি পর্বের জন্য পরীক্ষামূলক পারমাণবিক কাঠামো অনুসন্ধান করতে ঘনত্ব ফাংশনাল তত্ত্ব গণক ব্যবহার করা হয়েছে। পরীক্ষামূলক বর্ণালীর শর্তানুযায়ী এই পরীক্ষামূলক কাঠামোগুলিতে কম মুক্ত শক্তি এবং রমন বর্ণালি রয়েছে। এই কাঠামোর আপেক্ষিক গিবস মুক্ত শক্তি পেতে, সমন্বয়হীন কম্পনজনিত প্রভাবগুলির প্রথম-নীতির আচরণের সাথে কোয়ান্টাম মন্টে কার্লো পদ্ধতিগুলি একত্রে ব্যবহার করা হয়েছে এবং এই দিয়ে একটি তাত্ত্বিক চাপ-তাপমাত্রা পর্যায় চিত্র পাওয়া গেছে যা পরীক্ষার সাথে বেশ অনেকটাই যুক্তিসঙ্গত সহমতে রয়েছে। এই ভিত্তিতে, দ্বিতীয় পর্যায়টি "P"2/"c" প্রতিসাম্যের একটি আণবিক গঠন বলে মনে করা হয়; তৃতীয় পর্যায় হল "C"2/"c" প্রতিসাম্যের একটি কাঠামো যা একটি বিকৃত ষড়ভুজ বিন্যাসে অণুর সমতল স্তর নিয়ে গঠিত; এবং চতুর্থ পর্যায় হল "Pc" প্রতিসাম্যের একটি কাঠামো (বা অনুরূপ) যা শক্তিশালীভাবে বন্ধনযুক্ত অণুগুলির বিকল্প স্তর এবং দুর্বলভাবে বন্ধনযুক্ত গ্রাফিন-সদৃশ শীটগুলির সমন্বয়ে গঠিত।
কঠিন হাইড্রোজেন নিম্ন তাপীয় পরিবাহিতা এবং তাপ প্রসারণ সহ একটি দুর্বল বৈদ্যুতিক সুপরিবাহী। এটি একটি চৌম্বকীয় পদার্থও, যা চুম্বকের প্রতি আকৃষ্ট হয়।
কঠিন হাইড্রোজেন একটি সম্ভাব্য শক্তি সঞ্চয়ের মাধ্যম। এটি উচ্চ শক্তি ঘনত্বের অধিকারী, যা এটিকে বহন এবং সঞ্চয় করা সহজ করে তোলে। কঠিন হাইড্রোজেনকে জ্বালানী হিসাবেও ব্যবহার করা যেতে পারে, তবে এটি একটি উচ্চ গলনাঙ্কের কারণে এটিকে প্রক্রিয়া করা কঠিন করে তোলে।
কঠিন হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য সাধারণত দুটি পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়:
একটি সম্ভাব্য শক্তি সঞ্চয়ের মাধ্যম হিসাবে কঠিন হাইড্রোজেনের ব্যাপক সম্ভাবনা রয়েছে। এটি উচ্চ শক্তি ঘনত্বের অধিকারী, যা এটিকে বহন এবং সঞ্চয় করা সহজ করে তোলে। কঠিন হাইড্রোজেনকে জ্বালানী হিসাবেও ব্যবহার করা যেতে পারে, তবে উচ্চ গলনাঙ্কের কারণে এটির প্রক্রিয়াকরণ কঠিন।