Primeur: metallisch waterstof gemaakt bij onvoorstelbaar hoge druk

Voor het eerst zijn onderzoekers erin geslaagd metallisch waterstof te produceren in het laboratorium. Ze deden dit door een beetje van het element samen te persen bij een druk die hoger is dan die in het binnenste van de aarde. Deze stof, waarvan het bestaan al meer dan tachtig jaar geleden werd voorspeld, kan wellicht ooit bijdragen aan supersnelle computers of extra krachtige raketbrandstof.

Waterstof wordt samengeperst tussen twee diamanten. Beeld: R. Dias and I.F. Silvera
Waterstof wordt samengeperst tussen twee diamanten. Beeld: R. Dias and I.F. Silvera

Twee onderzoekers van Harvard University bereikten deze prestatie door vast waterstof bij lage temperaturen met diamanten samen te persen tot de atomen zo dicht op elkaar zaten dat ze elektronen met elkaar gingen delen. De gedeelde wolk van elektronen duidt op de overgang naar een metallische toestand. Waterstof glimt dan en geleidt elektriciteit, net als andere metalen.

‘Als dit experiment herhaalbaar is, lost het een van de grootste problemen in de natuurkunde op’, zegt Jeffrey McMahon van Washington State University.

‘We kijken op een fundamenteel niveau naar het meest simpele atoommodel uit het periodiek systeem der elementen. We willen het model en alle eigenschappen ervan daarom goed begrijpen’,  zegt Isaac Silvera van Harvard University, die het onderzoek uitvoerde samen met zijn collega Ranga Dias.

Lang verwacht

Eugene Wigner en Hillard Bell Huntingtin voorspelden in 1935 dat bij een druk van 25 gigapascal (GPa), vast waterstof zou veranderen in metaal. Omdat 25 GPa een druk is die meer dan 200 keer groter is dan die op de bodem van de Marianentrog, was hun voorspelling onmogelijk te testen.

Naarmate onze kennis over de quantumwereld en de invloed ervan op materialen verbeterde, nam de grenswaarde voor de druk om waterstof metallisch te maken steeds verder toe. Telkens bleef het buiten het bereik dat behaald kon worden in het laboratorium. De meest recente schattingen voor de druk liggen tussen de 400 en 500 GPa.

Het lukte Silvera en Dias om waterstof metallisch te maken bij een druk van 495 GPa. Dat is beduidend meer dan de 360 GPa in de kern van de aarde.

Ze bereikten deze enorme druk door vast waterstof samen te drukken tussen twee kunstmatig gemaakte diamanten. Om te voorkomen dat de diamanten barsten, waren de uiteinden zorgvuldig gepolijst om onregelmatigheden te verwijderen. Ook werden ze verhit om overgebleven interne spanningen te verwijderen en werden ze bedekt met aluminiumoxide, een extreem harde samenstelling van aluminium en zuurstof, waar waterstof niet doorheen kan sijpelen.

Bij relatief lage druk is vast waterstof transparant. Als de samendrukking toeneemt wordt het ondoorzichtig en zwart.

Maar bij 495 GPa bleek de waterstof glimmend en reflecterend, wat duidt op de overgang naar een metaal (hoewel de onderzoekers niet zeker weten of het een vaste stof of een vloeistof was).

‘Het is niet verrassend dat het gebeurde, het wordt al tachtig jaar voorspeld door de theorie, maar het is fijn dat het eindelijk gezien is. Nu kunnen ze beginnen met het vezamelen van meer kwantitatieve data’, zegt David Ceperley van de universiteit van Illinois.

De verschillende toestanden van waterstof bij toenemende druk. Beginnend bij transparante waterstof, dan kleurt het zwart en tenslotte glimmend, metallisch waterstof. Beeld: R. Dias and I.F. Silvera
De verschillende toestanden van waterstof bij toenemende druk. Beginnend bij transparante waterstof, dan kleurt het zwart en tenslotte glimmend, metallisch waterstof. Beeld: R. Dias and I.F. Silvera

Niet alles dat glimt is metallisch waterstof

Het is niet voor het eerst dat de vondst van deze heilige graal uit de natuurkunde wordt opgeëist. Sommige wetenschappers, voornamelijk die zelf ook getracht hebben dit materiaal te maken, zijn daarom kritisch. In een reactie bij Nature News geven fysicus Paul Loubeyre, van het Franse atoomcommissariaat en geofysicus Alexander Goncharov van het Carnegie Institution for Science in Amerika aan dat ze de resultaten niet overtuigend vinden.

Deze kritische wetenschappers denken dat het glimmende metaal dat de onderzoekers zagen het aluminiumoxide van de topjes van de diamanten kan zijn. Bovendien betwijfelen ze of Silvera en Dias inderdaad gelukt is om de enorme druk van 495 GPa te bereiken, omdat die indirect gemeten werd. De onnauwkeurigheid van die meetmethoden vinden ze te groot. Loubeyre en Goncharov stellen daarom dat het mogelijk is dat het geglim dat de onderzoekers zagen geen metallisch waterstof is.

Silvera vertelt in hetzelfde artikel van Nature News dat ze hun resultaten wilden publiceren voordat ze verder onderzoek doen dat de kwetsbare stof kapot zou kunnen maken. ‘Nu het artikel gepubliceerd is, gaan we verdere experimenten doen’, zegt hij. Deze experimenten zullen aantonen of de heilige graal die al tachtig jaar op papier bestaat eindelijk het levenslicht heeft gezien.

Toch twijfelen de meeste wetenschappers er niet aan dat metallisch waterstof ooit gemaakt kan worden. En dat kan leiden tot interessante toepassingen. De Harvard-onderzoekers voorspellen dat metallische waterstof een supergeleider bij kamertemperatuur zou kunnen zijn. En dat het, na productie, bij normale druk kan bestaan. Dit betekent dat het misschien gebruikt kan worden om supergeleidende kabels te maken die elektriciteit over grote afstanden kunnen transporteren zonder energie te verliezen. De onderzoekers speculeren ook dat metallisch waterstof zo energierijk is dat het ooit gebruikt kan worden om een raketbrandstof te maken die veel krachtiger is dan wat we nu hebben. Dat kan leiden tot een revolutie in de manier waarop we dingen de ruimte in schieten.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder:

Over de auteur

Leah Crane

Freelance wetenschapsjournalist Leah Crane schrijft het liefst over sterrenkunde.



Plaats een reactie