Wetenschappers hebben lang gespeculeerd dat in het hart van een gasreus de wetten van de materiële fysica enkele radicale veranderingen ondergaan. In dit soort omgevingen met extreme druk wordt waterstofgas zo gecomprimeerd dat het in feite een metaal wordt. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om metallische waterstof synthetisch te maken vanwege de eindeloze toepassingen die het zou bieden.
Op dit moment is de enige bekende manier om dit te doen, waterstofatomen samen te persen met een diamanten aambeeld totdat ze van toestand veranderen. En na tientallen jaren van pogingen (en 80 jaar sinds het voor het eerst werd getheoretiseerd), heeft een team van Franse wetenschappers misschien eindelijk gemaakt metallische waterstof in een laboratoriumomgeving. Hoewel er veel scepsis is, zijn er velen in de wetenschappelijke gemeenschap die geloven dat deze laatste bewering waar zou kunnen zijn.
De studie die hun experiment beschreef, getiteld “ Waarneming van een eerste-orde faseovergang naar metaalwaterstof nabij 425 GPa “, verscheen onlangs op de arXiv preprint-server. Het team bestond uit Paul Dumas, Paul Loubeyre en Florent Occelli, drie onderzoekers van de Verdeling van militaire toepassingen (DAM) bij de Franse commissie voor alternatieve energie en atoomenergie en de Synchrotron SOLEIL onderzoeksfaciliteit.
Deze uitsnede illustreert een model van het binnenste van Jupiter, met een rotsachtige kern bedekt met een diepe laag vloeibare metallische waterstof. Krediet: Kelvinsong/Wikimedia Commons
Zoals ze in hun onderzoek aangeven, staat het buiten kijf dat 'metaalwaterstof moet bestaan' dankzij de regels van kwantumopsluiting. In het bijzonder geven ze aan dat als de elektronen van welk materiaal dan ook voldoende worden beperkt in hun beweging, wat bekend staat als de 'band gap-sluiting' uiteindelijk zal plaatsvinden. Kortom, elk isolatiemateriaal (zoals zuurstof) zou een geleidend metaal moeten kunnen worden als het voldoende onder druk staat.
Ze leggen ook uit hoe twee vorderingen hun experiment mogelijk hebben gemaakt. De eerste heeft te maken met de diamanten aambeeldopstelling die ze gebruikten, waarbij de diamanten torusvormig waren - een torus met een gat in het midden (zoals een donut) - in plaats van plat. Hierdoor kon het team de vorige druklimiet overschrijden die was vastgesteld door andere diamanten aambeelden (400 GPa) en zo hoog worden als 600 Gpa.
De tweede betrof een nieuw type infraroodspectrometer die het onderzoeksteam zelf had ontworpen in de Synchrotron SOLEIL-faciliteit, waarmee ze het monster konden meten. Toen hun waterstofmonster een druk van 425 GPa en temperaturen van 80 K (-193 °C; -316 °F) had bereikt, meldden ze dat het alle infraroodstraling begon te absorberen, waarmee ze aangaven dat ze 'de band gap hadden gedicht'.
Deze resultaten hebben een behoorlijk deel van kritiek en scepsis aangetrokken, grotendeels omdat eerdere beweringen waarin metallische waterstof zou zijn gemaakt, ofwel onjuist ofwel niet overtuigend waren. Bovendien moet deze laatste studie nog door vakgenoten worden beoordeeld en moet hun experiment door andere natuurkundigen worden gevalideerd.
Luchtfoto van de Synchrotron SOLEIL-faciliteit. Krediet: C. Kermarrec/Synchrotron SOLEIL
Het Franse team en hun experimentele resultaten hebben echter enkele krachtige bondgenoten. Een persoon is Maddury Somayazulu , een universitair hoofddocent aan het Argonne National Laboratory die niet bij deze studie betrokken was. Zoals hij zei in een interview met Gizmodo :
“Ik denk dat dit echt een Nobelprijs-waardige ontdekking is. Dat was het altijd al, maar dit is waarschijnlijk een van de schoonste en meest uitgebreide werken over pure waterstof.”
Somayazulu zei ook dat hij de hoofdauteur van de studie, Paul Dumas, 'zeer goed' kent en dat Dumas een 'ongelooflijk zorgvuldige en systematische wetenschapper' is. Een andere natuurkundige die positief sprak over dit laatste experiment is Alexander Goncharov , een stafwetenschapper uit de Geofysisch laboratorium van het Carnegie Institute for Science .
In 2017 , uitte hij zijn twijfel toen een onderzoeksteam van Lyman Laboratory of Physics van Harvard University beweerde met behulp van een soortgelijk proces metallische waterstof te hebben gemaakt. Maar zoals Goncharov Gizmodo vertelde over dit laatste experiment:
“Ik denk dat het artikel goed bewijs bevat over de sluiting van de bandgap in waterstof. Een deel van de interpretatie is onjuist en sommige gegevens zouden beter kunnen, maar ik vertrouw er over het algemeen op dat dit klopt.”
Boven: microscopische beelden van de stadia uit het experiment van 2017 door Dias en Silvera. Krediet: Isaac Silvera; Onder: de toneelbeelden geleverd door Dumas (et al.), de middelste afbeelding die de vorming van metallisch waterstof laat zien. Krediet: Loubeyre et al (arXiv 2019)
Als synthetisch materiaal zou metallische waterstof ook eindeloze toepassingen hebben. Ten eerste wordt aangenomen dat het supergeleidende eigenschappen heeft bij kamertemperatuur en metastabiel is (wat betekent dat het zijn stevigheid behoudt zodra het weer op normale druk is gebracht). Deze eigenschappen zouden het ongelooflijk nuttig maken als het gaat om de revolutie die al aan de gang is in de elektronica.
Het zou ook een zegen zijn voor wetenschappers die zich bezighouden met hoogenergetisch onderzoek en natuurkunde, zoals momenteel wordt uitgevoerd bij CERN. Bovendien zouden astrofysici voor de eerste keer ooit kunnen bestuderen hoe de omstandigheden in het binnenste van reuzenplaneten zijn zonder daadwerkelijk sondes te hoeven sturen om ze te verkennen.
In dit opzicht lijkt metallische waterstof veel op koude kernfusie. Gezien de enorme uitbetalingen, zal iedereen die beweert dit te hebben bereikt natuurlijk voor lastige vragen komen te staan. Het enige wat we kunnen doen is hopen dat de laatste experimenten succesvol waren, en ofwel vieren of wachten op de volgende poging.