Les scientifiques ont créé de l’hydrogène métallique

Près de 80 ans après une hypothèse sur l’existence d’un hydrogène métallique, des scientifiques de Harvard ont réussi à le créer. L’hydrogène métallique possède des propriétés vraiment étonnantes ce qui en fait l’un des matériaux les plus précieux sur Terre.


Près d'un siècle après une hypothèse sur l'existence d'un hydrogène métallique, des scientifiques de Harvard ont réussi à le créer. L'hydrogène métallique possède des propriétés vraiment étonnantes ce qui en fait l'un des matériaux les plus précieux sur Terre.
Des enclumes de diamant qui compriment de l'hydrogène moléculaire. A une pression extrême, l'échantillon se transforme en hydrogène atomique (sur la droite) - Crédit : R. Dias and I.F. Silvera

Cet a été créé par Thomas D. Cabot, Isaac Silvera et Ranga Dias. En plus d’aider les scientifiques à comprendre les questions fondamentales sur la nature de la matière, ce matériau possède des propriétés étonnantes incluant la supraconductivité à température ambiante. Les travaux sont décrits dans la revue Science.1 C’est le Saint-Graal de la à haute pression selon Silvera. C’est le premier échantillon d’hydrogène métallique sur Terre et quand vous l’observez, vous regardez quelque chose qui n’a jamais existé auparavant.

Pour créer cet hydrogène métallique, Silvera et Dias ont comprimé un petit échantillon d’hydrogène à une pression de 495 gigapascals, soit environ 35 500 tonnes par mètre carré et c’est supérieur à la pression au centre de la Terre. Dans ces pressions extrêmes, l’hydrogène moléculaire solide commence à se fractionner et les molécules dissociées se transforment en un hydrogène atomique qui est un métal.

Les travaux ouvrent une nouvelle fenêtre pour comprendre les propriétés générales de l’hydrogène, mais il offre également des pistes pour créer des matériaux révolutionnaires. L’une des prédictions est que l’hydrogène métallique est méta-stable. Cela signifie si vous supprimez la pression, il va rester métallique et c’est similaire aux diamants qui se forment dans le graphique sous une chaleur et une pression étonnante. Même quand la chaleur et la pression disparaissent, le diamant va rester.

Il est vraiment important de déterminer si l’hydrogène métallique est stable, car d’autres prédictions suggèrent qu’il fonctionne comme un supraconducteur à température ambiante. Ce serait révolutionnaire selon les chercheurs. On perd presque 15 % de l’énergie pendant la transmission et donc, si vous pouviez créer des câbles en hydrogène métallique et les utiliser dans un réseau électrique, alors cela pourrait changer radicalement notre consommation de l’énergie.

La supraconductivité à température ambiante fait partie des objectifs ultimes en physique selon Dias. On pourrait révolutionner notre système de transport, créer des trains à haute vitesse qui utilisent la lévitation magnétique et améliorer considérablement les voitures et les appareils électroniques. L’hydrogène métallique serait aussi très utile pour la production et le stockage de l’énergie, car les supraconducteurs possèdent une résistance d’énergie de zéro et on pourrait maintenir le courant dans des bobines supraconductrices et les utiliser à la demande.

L’hydrogène métallique pourrait changer pas mal de choses sur Terre, mais il sera aussi très intéressant pour l’exploration spatiale, car c’est simplement le plus puissant carburant pour les fusées. Il faut une énergie gigantesque pour créer de l’hydrogène métallique selon Silvera. Et si vous pouvez l’inverser vers de l’hydrogène moléculaire, alors toute l’énergie serait libérée et on pourrait utiliser cette dernière comme un excellent carburant pour les fusées.

Pour mesurer la puissance du carburant pour les fusées, on parle d’une impulsion spécifique qui mesure la vitesse de combustion en secondes du carburant à l’arrière d’une fusée. Actuellement, nos carburants les plus performants proposent une impulsion spécifique de 450 secondes. Mais l’impulsion spécifique de l’hydrogène métallique pourrait atteindre les 1700 secondes. Notons que cette puissance ne signifie pas forcément de la vitesse, mais on pourrait mettre des charges plus lourdes ce qui permettrait de créer des fusées plus légères en embarquant le maximum d’équipements.

Pour créer l’hydrogène métallique, Silvera et Dias ont utilisé des diamants. Mais au lieu de diamant naturel, les chercheurs ont utilisé 2 petits diamants synthétiques et ils ont renforcé leur solidité. Ensuite, ils ont pressé les diamants l’un contre l’autre avec un appareil connu comme une cellule à enclumes de diamant. Les diamants sont polis avec de la poudre de diamant pour expulser le carbone de la surface selon Silvera. Quand nous avons analysé le diamant avec la microscopie à force atomique, nous avons trouvé des défauts qui auraient pu affaiblir et casser le diamant.

La solution était d’utiliser un processus par ions réactifs pour avoir une couche plus mince avec une épaisseur de 5 microns, soit le dixième d’un cheveu humain. Ensuite, les diamants ont été recouverts par une fine couche d’alumine pour éviter la diffusion de l’hydrogène dans leur structure de cristal. Et enfin, les scientifiques ont réussi à produire ce petit échantillon d’hydrogène métallique. Il a fallu 80 ans après l’hypothèse de son existence et près de 40 ans de tentatives pour y arriver.

Notons qu’après la publication du papier, une partie de la communauté des scientifiques est plutôt sceptique.2 Parmi les critiques, on a le fait que le matériau brillant pourrait être simplement de l’alumine plutôt que de l’hydrogène métallique. De plus, les auteurs ont pu surestimé la pression avec une mesure imprécise. Ils ont réalisé une seule mesure et il faudra donc d’autres résultats pour confirmer cette découverte majeure.

Sources

1.
Dias RP, Silvera IF. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Science. janvier 2017:eaal1579. doi: 10.1126/science.aal1579
2.
Physicists doubt bold report of metallic hydrogen. Nature News & Comment. http://www.nature.com/news/physicists-doubt-bold-report-of-metallic-hydrogen-1.21379. Consulté le janvier 27, 2017.

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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