Waterstof wil nog niet metallisch worden

In de jaren dertig werd voorspeld dat samengeperst waterstof het eenvoudigste metaal zou opleveren - eenvoudig maar met exotische eigenschappen. In de jaren daarop werd vele malen waterstof onder zeer hoge druk gebracht. Maar metallisch waterstof is nog steeds niet gevonden.

Canadese onderzoekers hebben het probleem langs theoretische weg benaderd. Zij berekenden de veranderingen in de elektronenstructuur van vaste waterstof van 77 Kelvin bij drukken tot 2,7 miljoen atmosfeer. Hierbij gingen zij uit van een computermodel van een 'cel' van 48 moleculen in de vorm van een dichtste bolstapeling. Bij het (theoretisch) opvoeren van de druk komen de moleculen in het kristalrooster dichter bij elkaar en worden de bindingen tussen de moleculen korter. Hun rotatie-assen gaan steeds meer in één richting wijzen.

In de simulaties vindt er vanaf een druk van 1,6 miljoen atmosfeer een geleidelijke overgang plaats naar een orthorombische structuur. Het unieke kenmerk van deze nieuwe structuur zijn de groepjes van telkens drie waterstofmoleculen: twee waterstofmoleculen met een relatief korte binding bevinden zich aan beide uiteinden van een derde molecule met een langere binding. Deze speciale configuratie van de waterstofmoleculen heeft een belangrijke invloed op de elektronenstructuur: de niet-geleidende waterstof is bij een druk van 2,6 miljoen atmosfeer halfgeleidend geworden (Nature 378, p. 595).

De onderzoekers speculeren dat deze overgang de aanzet vormt tot het ontstaan van geleidende waterstof bij nòg hogere drukken. Zulke hoge drukken heersen in het inwendige van planeten als Jupiter, maar daar is de temperatuur niet laag maar juist heel hoog: in de orde van 20.000 graden. Toch is het mogelijk dat bij de daar heersende drukken - tot 40 miljoen atmosfeer - de molecuulbindingen van waterstof zijn verbroken, waardoor waterstof gaat lijken op een metaal, met eigenschappen als hoge temperatuur-supergeleiding.

    • George Beekman