Des scientifiques de Harvard ont réussi à obtenir de l'hydrogène métallique

Image d'enclumes de diamant compressant un échantillon d'hydrogène moléculaire. À haute pression, l'hydrogène passe à l'état atomique, comme illustré à droite. Source: Dias et Silvera, 2017

En 1935, les scientifiques Eugene Wigner et Bell Huntington ont prédit la possibilité de transférer l'hydrogène à un état métallique sous l'influence d'une pression énorme - 250 000 atmosphères. Un peu plus tard, ce point de vue a été revu; les experts ont augmenté l'estimation de la pression nécessaire à la transition de phase. Pendant tout ce temps, les conditions de transition ont été jugées réalisables et les scientifiques ont tenté de "prendre la barre" nécessaire à la transition de l'hydrogène dans une nouvelle phase. Pour la première fois, ils ont tenté d'obtenir de l'hydrogène métallique dans les années 1970. Des tentatives répétées ont été faites en 1996, 2008 et 2011. Il a déjà été signalé qu'en 1996, des scientifiques allemands ont réussi à transférer l'hydrogène à un état métallique pendant une fraction de microseconde, bien que tout le monde ne soit pas d'accord.

Quant à la pression nécessaire pour produire de l'hydrogène métallique, avec le développement de la mécanique quantique et de la physique, il est devenu généralement clair que la pression devrait être environ 20 fois plus élevée que ce que l'on pensait auparavant - pas 25 GPa, mais 400 ou même 500 GPa. On pense que de grandes quantités d'hydrogène métallique sont présentes dans les noyaux des planètes géantes - Jupiter, Saturne et les grandes planètes extrasolaires. En raison de la compression gravitationnelle, un noyau d'hydrogène métallique doit se trouver sous la couche de gaz. Il est clair que pour recevoir une pression gigantesque, des technologies et des méthodes spéciales sont nécessaires. Il s'est avéré atteindre l'objectif souhaité grâce à l'utilisation de deux enclumes en diamant.

La force de l'enclume a été améliorée par la pulvérisation d'alumine, qui était imperméable aux atomes d'hydrogène. Un échantillon d'hydrogène a été comprimé entre les extrémités pointues de deux enclumes de diamant, et à une pression de 495 GPa, les scientifiques ont réalisé la transition de l'échantillon dans la phase métallique.


Source: Dias et Silvera, 2017

Dans tous les cas, l'échantillon s'est d'abord assombri, puis a commencé à réfléchir la lumière. À des indices de pression relativement bas, l'échantillon était opaque, il ne conduisait pas le courant. L'expérience d'Isaac Silvera et de Ranga Dias a été répétée. Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à transférer l'hydrogène vers la phase métallique mi-2016. Mais les résultats de l'expérience devaient être confirmés, une expérience répétée. Les résultats de l'expérience initiale ayant été confirmés, ils peuvent être considérés comme corrects.

Les scientifiques sont allés au résultat actuel depuis plusieurs années. Il n'a fallu que trois ans à Silver et Diaz pour atteindre la pression à laquelle l'hydrogène se décompose en atomes individuels. La pression en question est de 380 GPa.

Après cette augmentation de pression, il a fallu renforcer la résistance des enclumes en diamant, qui ont été utilisées dans l'expérience. Pour ce faire, ils ont commencé à pulvériser le film d'oxyde d'aluminium le plus fin. Sans résistance accrue, les diamants, qui sont les minéraux les plus durs de la Terre, commencent à se décomposer lorsque la pression dépasse 400 GPa.

Les scientifiques ont fait beaucoup de travail sur l'étude des diamants. Il pourrait y avoir plusieurs raisons à la destruction - des défauts dans la structure du cristal à l'influence des plus comprimés à l'énorme densité d'hydrogène. Afin de résoudre le premier problème, les spécialistes ont soigneusement vérifié les structures cristallines au microscope à fort grossissement. "Lorsque nous avons examiné le diamant au microscope, nous avons trouvé des défauts qui rendent ce minéral vulnérable aux facteurs externes", a déclaré Silvera. Le deuxième problème a été résolu par la pulvérisation, qui contrecarre la fuite des atomes et des molécules d'hydrogène.

Il est encore difficile de dire sous quelle forme le métal a reçu les Britanniques - solide ou liquide. Ils ont du mal à le dire, même s'ils pensent que l'hydrogène est passé dans la phase du métal liquide, puisque cela est prédit par les calculs. Ce dont ils sont sûrs, c'est que l'échantillon d'hydrogène après compression est devenu 15 fois plus dense qu'avant le début de cette procédure. La température de l'hydrogène, qui a été placé dans une enclume en diamant, était de 15K. Après la transition de l'élément dans la phase métallique, il a été chauffé à 83 K et a conservé ses propriétés métalliques. Les calculs montrent que l'hydrogène métallique peut être métastable, c'est-à-dire conserver ses propriétés même après que les facteurs externes qui ont conduit à la transition de l'élément dans la phase métallique sont affaiblis.

Pourquoi l'homme a-t-il besoin d'hydrogène métallique? On pense que dans cet état, il présente les propriétés d'un supraconducteur à haute température. De plus, les composés d'hydrogène métalliques métastables peuvent être utilisés comme carburant de fusée compact, efficace et propre. Ainsi, lorsque l'hydrogène métallique entre dans la phase moléculaire, environ 20 fois plus d'énergie est libérée que lors de la combustion d'un kilogramme d'un mélange d'oxygène et d'hydrogène - 216 MJ / kg.

«Pour produire de l'hydrogène métallique, nous avions besoin d'une énorme quantité d'énergie. Et si vous transférez à nouveau l'hydrogène métallique atomique à un état moléculaire, toute cette énergie sera libérée, afin que nous puissions obtenir le carburant de fusée le plus puissant du monde, ce qui révolutionnera la science des fusées », ont déclaré les auteurs de l'étude. À leur avis, le nouveau carburant, s'il est utilisé, permettra d'atteindre facilement d'autres planètes. Le temps pour se rendre à eux passera beaucoup moins que maintenant, en utilisant la technologie moderne.

DOI: 10.1126 / science.aal1579