L'hydrogène métallique, une fois après que la théorie devient réalité

26 janvier 2017

Près d'un siècle après sa théorisation, les scientifiques de Harvard ont réussi à créer le matériau le plus rare - et potentiellement l'un des plus précieux - sur la planète.

Le matériau - l'hydrogène métallique atomique - a été créé par Thomas D. Cabot Professeur des Sciences Naturelles Isaac Silvera et Ranga Dias post-doctoral. En plus d'aider les scientifiques à répondre aux questions fondamentales sur la nature de la matière, le matériau est théorisé pour avoir une large gamme d'applications, y compris comme un supraconducteur à température ambiante. La création du matériel rare est décrite dans un article du 26 janvier publié dans Science.

"C'est le Saint-Graal de la physique à haute pression", a déclaré Silvera. «C'est le tout premier échantillon d'hydrogène métallique sur Terre, alors quand vous le regardez, vous regardez quelque chose qui n'a jamais existé auparavant.

Pour le créer, Silvera et Dias ont pressé un petit échantillon d'hydrogène à 495 gigapascal, soit plus de 71,7 millions de livres par pouce carré - plus grand que la pression au centre de la Terre. A ces pressions extrêmes, a expliqué Silvera, l'hydrogène moléculaire solide - qui se compose de molécules sur les sites du réseau du solide - se décompose, et les molécules étroitement liées se dissocient pour se transformer en hydrogène atomique, qui est un métal.

Bien que le travail offre une nouvelle fenêtre importante dans la compréhension des propriétés générales de l'hydrogène, il offre également des allusions alléchantes à potentiellement révolutionnaires de nouveaux matériaux.

"Une prédiction qui est très importante est l'hydrogène métallique est prédit être méta-stable", a déclaré Silvera. "Cela signifie que si vous retirez la pression, il restera métallique, similaire à la façon dont les diamants se forment à partir de graphite sous une chaleur et une pression intense, mais reste un diamant lorsque cette pression et la chaleur est éliminée.

Comprendre si le matériau est stable est important, a dit Silvera, parce que les prédictions suggèrent que l'hydrogène métallique pourrait agir comme un supraconducteur à température ambiante.

"Ce serait révolutionnaire", a t-il dit. "Jusqu'à 15 % de l'énergie est perdue à la dissipation pendant la transmission, donc si vous pouviez faire des fils à partir de ce matériel et les utiliser dans le réseau électrique, il pourrait changer cette histoire."

Parmi les sains grails de la physique, un supraconducteur à température ambiante pourrait, selon M. Dias, changer radicalement notre système de transport, rendre possible la lévitation magnétique de trains à grande vitesse et rendre les voitures électriques plus efficaces et améliorer les performances de nombreux appareils électroniques.

Le matériau pourrait également apporter des améliorations majeures dans la production d'énergie et de stockage - parce que les supraconducteurs ont une énergie de résistance nulle pourrait être stocké en maintenant les courants dans les bobines supraconductrices, puis être utilisé lorsque nécessaire.

L'hydrogène métallique, une fois la théorie, devient réalité

Bien qu'il ait le potentiel de transformer la vie sur Terre, l'hydrogène métallique pourrait également jouer un rôle clé en aidant les humains à explorer les lointains de l'espace, comme le propulseur de fusée le plus puissant encore découvert.

«Il faut énormément d'énergie pour fabriquer de l'hydrogène métallique», a expliqué Silvera. «Et si vous le convertissez en hydrogène moléculaire, toute cette énergie est libérée, ce qui en ferait le propulseur de fusée le plus puissant connu de l'homme, et pourrait révolutionner la fusée".

Les carburants les plus puissants utilisés aujourd'hui sont caractérisés par une «impulsion spécifique» - une mesure, en secondes, de la vitesse à laquelle un propulseur est tiré du dos d'une fusée - de 450 secondes. L'impulsion spécifique pour l'hydrogène métallique, par comparaison, est théorisée à 1700 secondes.

"Cela vous permettrait facilement d'explorer les planètes extérieures", a déclaré Silvera. "Nous serions en mesure de mettre des roquettes en orbite avec une seule étape, contre deux, et pourrait envoyer des charges plus importantes, ce qui pourrait être très important."

Pour créer le nouveau matériau, Silvera et Dias se sont tournés vers l'un des matériaux les plus durs sur la Terre - le diamant.

Mais plutôt que le diamant naturel, Silvera et Dias ont utilisé deux petits morceaux de diamant synthétique soigneusement polis qui ont ensuite été traités pour les rendre encore plus durs, puis montés l'un en face de l'autre dans un dispositif connu comme une cellule d'enclume de diamant.

"Les diamants sont polis avec de la poudre de diamant, et qui peuvent gouger / creuser le carbone de la surface," a déclaré Silvera. "Lorsque nous avons examiné le diamant à l'aide de la microscopie à force atomique, nous avons trouvé des défauts, ce qui pourrait causer son affaiblissement et de rupture."

La solution, a-t-il dit, était d'utiliser un procédé de gravure ionique réactive pour raser une couche minuscule - seulement cinq microns d'épaisseur, soit environ un dixième d'un cheveu humain - de la surface du diamant. Les diamants ont ensuite été revêtus d'une mince couche d'alumine pour empêcher l'hydrogène de se diffuser dans leur structure cristalline et de les fragiliser.

Après plus de quatre décennies de travail sur l'hydrogène métallique, et près d'un siècle après sa première théorie, voir le matériel pour la première fois, a dit Silvera, était passionnant.

"C'était vraiment excitant," dit-il. "Ranga était en train de faire l'expérience, et nous avons pensé que nous pourrions y arriver, mais quand il m'a appelé et dit:« L'échantillon est brillant », je suis allé courir là-bas, et il était de l'hydrogène métallique.

"J'ai immédiatement dit que nous devons faire les mesures pour le confirmer, alors nous avons réorganisé le laboratoire ... et c'est ce que nous avons fait", a t-il dit. «C'est un exploit formidable, et même s'il n'existe que dans cette cellule d'enclume à haute pression, c'est une découverte très fondamentale et transformatrice.

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