- Hydrogène métallique
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L'hydrogène métallique est une phase de l'hydrogène qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte pression. C'est un exemple de matière dégénérée. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400 GPa) tel que l'hydrogène métallique est liquide, même à de très basses températures[1],[2].
L'hydrogène métallique consiste en un treillis de noyaux atomiques, des protons, dont l'espacement est significativement plus petit que le rayon de Bohr. En effet, l'espacement est davantage comparable à une longueur d'onde d'électron (voir Hypothèse de de Broglie). Ces électrons ne sont pas liés et se comportent donc comme les électrons d'un métal conducteur.
Sommaire
Histoire
Prédiction des années 1930
Eugene Wigner (à gauche) et Alvin Weinberg.
Bien que l'hydrogène soit tout en haut du tableau périodique, au sommet de la colonne des métaux alcalins, il n'en est pas un, sous des conditions normales. En 1935, le futur lauréat du prix Nobel Eugene Wigner a prédit, avec H. B. Huntington, que sous des conditions de pression immense, les atomes d'hydrogène rejoindraient leur groupe du tableau périodique, délaissant ainsi leur lien étroit avec leur électron[3].
La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles. De plus, leurs prédictions sur la pression nécessaire n'étaient pas assez élevées[4].
Découverte
En mars 1996, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont rapporté avoir produit de l'hydrogène métallique[5], une découverte par pure sérendipité. Pendant environ une microseconde, des températures de milliers de kelvins et des pressions de millions d'atmosphères (>100 GPa) ont produit de l'hydrogène métallique identifiable, concluant ainsi 60 années de recherches. Le métal ainsi produit ne se comporte pas comme un métal alcalin.
Recherche contemporaine
Les expériences de production d'hydrogène métallique continuent en laboratoire. En 1998, Arthur Ruoff et Chandrabhas Narayana de l'université Cornell[6] et, en 2002, Paul Loubeyre et René LeToullec du Commissariat à l'énergie atomique en France, ont prouvé qu'à des pressions proches de celles régnant au centre de la Terre (3,2 à 3,4 millions d'atmosphères) et des températures de 100 à 300 K, l'hydrogène n'est toujours pas un métal alcalin. La recherche pour observer l'hydrogène métallique en laboratoire continue, plus de 70 ans après que son existence a été prévue.
Contexte
Les chercheurs de l'équipe du Lawrence Livermore ne comptaient pas produire de l'hydrogène métallique, car ils n'employaient pas l'hydrogène solide, censé être nécessaire, et ils travaillaient au-dessus des températures indiquées par la théorie de la métallisation. En outre, dans les études précédentes selon lesquelles de l'hydrogène solide a été comprimé à l'intérieur d'enclumes de diamant à des pressions allant jusqu'à 2,5 millions d'atmosphères (~253 GPa), aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de conductivité qu'elle prévoyait.
Détails expérimentaux
Les chercheurs ont employé des canons à gaz léger (utilisés à l'origine dans des études de missiles guidés des années 1960) pour tirer sur une plaque à impacts placée dans un récipient scellé contenant un échantillon d'hydrogène liquide épais d'un demi-millimètre. D'abord, à une extrémité du pistolet, l'hydrogène a été refroidi environ à 20 K à l'intérieur d'un récipient qui contient une batterie reliée par des fils à un enroulement de Rogowski et à un oscilloscope ; les fils touchent également la surface de l'hydrogène à plusieurs endroits, ainsi l'appareil peut être utilisé pour mesurer et enregistrer sa conductivité électrique. À l'extrémité opposée, jusqu'à 3 kg de poudre sont mis à feu. L'explosion résultante pousse le piston d'une pompe et comprime le gaz à l'intérieur. Par la suite le gaz atteint une pression assez élevée pour ouvrir une valve à l'extrémité opposée de la chambre. En pénétrant le "baril" mince, il a propulsé la plaque à impacts en métal recouverte de plastique dans le récipient à une vitesse de 8 km/s, comprimant l'hydrogène à l'intérieur.
Résultats
Les scientifiques ont été étonnés de constater que, quand la pression atteint 1,4 million d'atmosphères (142 GPa), la largeur de la bande interdite de l'énergie électronique (une mesure de résistivité électrique) tombe presque à zéro.
L'espace de bande d'énergie électronique de l'hydrogène dans son état non comprimé est d'environ 15 eV, faisant de lui un isolant, mais à mesure que la pression augmente, la largeur de la bande interdite tombe graduellement à 0,3 eV. Puisque 0,3 eV sont fournis par l'énergie thermique du fluide (la température est montée à environ 3 000 K à cause de la compression de l'échantillon), l'hydrogène peut à ce moment être entièrement considéré comme métallique.
Astrophysique
Mosaïque de Jupiter en vraies couleurs réalisée à partir de photographies prises par la sonde Cassini.L'hydrogène métallique est présent en énormes quantités à l'intérieur de Jupiter, Saturne et certaines exoplanètes. L'intérieur de ces planètes est sujet à d'importantes forces de compression gravitationnelles.
Les modèles de l'intérieur de ces planètes avaient pris pour acquis que l'hydrogène se métallifiait à de plus hautes pressions que celles ayant été découvertes subséquemment. Par conséquent, le noyau métallique de Jupiter est plus près de la surface que prévu et son champ magnétique, le plus fort de toutes les planètes du système solaire, est donc produit également plus près de la surface que prévu.
Applications
Recherche sur la fusion nucléaire
Une façon de produire la fusion nucléaire est de focaliser des lasers sur des morceaux d'isotopes d'hydrogène. Une meilleure compréhension du comportement de l'hydrogène dans des conditions extrêmes pourrait aider à augmenter le rendement énergétique de ce procédé.
Production d'hydrogène métallique
Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. Comme le diamant est du graphite compressé qui ne se décompresse pas, une théorie prévoit l'existence d'une forme d'hydrogène, appelée hydrogène métallique métastable, qui ne redeviendrait pas à son état d'hydrogène normal lorsque décompressé. Avec la limite élastique de l'aluminium et un tiers de sa densité, cette forme d'hydrogène pourrait être utilisée pour fabriquer des automobiles très légères avec une haute efficacité énergétique.
De plus, il pourrait être utilisé lui-même comme carburant. Assez propre, il n'aurait que de l'eau et de l'oxyde d'azote comme produit de combustion. Il est 9 fois plus dense que l'hydrogène normal et produirait une énergie considérable lorsqu'il reprendrait cette forme. Brûlé plus rapidement, il serait un carburant 5 fois plus efficace que la combinaison hydrogène liquide et oxygène liquide qu'utilise couramment la navette spatiale. L'hydrogène métallique produit ne l'a été que trop brièvement pour qu'on puisse déterminer sa métastabilité[7].
Supraconductivité
Une théorie veut que l'hydrogène solide soit un supraconducteur à des températures aussi hautes que la température normale d'une pièce (290 K). Cela est beaucoup plus élevé que pour tout autre candidat à la supraconductivité[8],[9]. Mais il est douteux qu'on puisse en tirer des applications industrielles, la pression nécessaire pour maintenir l'hydrogène sous forme métallique à température ambiante étant très difficile à maintenir, bien plus que de maintenir la basse température nécessaire aux autres supraconducteurs.
Notes et références
- Ashcroft N.W., (en)The hydrogen liquids. J.Phys. A 12, A129-137 (2000).
- Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., (en)A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations. Nature 431, 669 (2004).
- E. Wigner and H. B. Huntington, (en)On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
- P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao, and L. W. Finger, (en) X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures Nature 383, 702 (1996).
- S. T. Weir, A. C. Mitchell, and W. J. Nellis, (en)Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1,4 Mbar) Physical Review Letters 76, 1860 - 1863 (1996).
- C. Narayana, H. Luo, J. Orloff, and A. L. Ruoff (en) Solid hydrogen at 342 GPa: no evidence for an alkali metal Nature 393, 46-49 (1998).
- W. J. Nellis (en)Metastable Metallic Hydrogen Glass Lawrence Livermore Preprint (1996).
- (en)Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? du Physics Abstract Service
- (en)New metallic superconductor makes an immediate impact de Physics World
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