Through the looking glass; Amsterdamse fysici vinden uitschakelbare spiegel

Bij hun zoektocht naar metallisch waterstof zijn Amsterdamse fysici onverwacht op een methode gestuit om een spiegel te maken die aan en uit kan worden gezet. Dr. Hans Huiberts, in december gepromoveerd bij prof.dr. Ronald Griessen aan de Vrije Universiteit, beschrijft de ontdekking in de Nature van vandaag. Philips heeft de vinding inmiddels gepatenteerd en het bedrijf heeft een contract gesloten om actief met de onderzoeksgroep aan de VU samen te werken.

Al in 1935 werd voorspeld dat samengeperst waterstof het eenvoudigste metaal zou opleveren. Het rooster van protonen met vrije elektronen zou een ideaal modelsysteem opleveren voor theoretisch natuurkundigen. Bovendien zijn voor metallisch waterstof exotische eigenschappen voorspeld, zoals hogetemperatuur-supergeleiding. Maar zelfs bij een druk van 2,5 miljoen atmosfeer (bijna de druk in het binnenste van de aarde) is nog geen metallisch waterstof waargenomen.

De Amsterdamse onderzoeksgroep gooide het daarom over een andere boeg. Sommige metalen, zoals yttrium (Y) en palladium (Pd), zijn in staat waterstof als een spons in zich op te nemen. In het geval van yttrium levert dat de di- en trihydrides YH en YH op, verbindingen die respectievelijk twee en drie keer zoveel waterstof- als yttrium-atomen bevatten. YH is niet stabiel, het valt als een poeder uiteen. Om dit te voorkomen werd een 500 nanometer (0,0005 millimeter) dikke laag yttrium onder ultrahoog vacuüm op een glasplaatje 'opgedampt' en beschermd met een eveneens zeer dunne laag palladium. In deze vorm bleef het YH wel compact.

Diamanthogedrukcel

Hoewel YH geen zuiver waterstof is, is de verwachting dat het zich toch min of meer als zodanig zal gedragen, bovendien met een belangrijk voordeel: het zou al metallisch worden bij een druk van minder dan 1 miljoen atmosfeer. De dunne yttrium-laag werd op de punt van een van de diamanten van een hogedrukpers opgedampt. Het grote voordeel van een diamanthogedrukcel is dat, afgezien van een extreem hoge druk, het preparaat door de diamanten heen zichtbaar blijft, ook bij een druk van een miljoen atmosfeer. De yttrium-laag werd afgekoeld tot de zeer lage temperatuur van 15 kelvin, in contact gebracht met vloeibaar waterstof en vervolgens onder hoge druk opgewarmd.

Bij ongeveer 240 kelvin (-33 ß8C) diffundeerde (sijpelde) het waterstof via de palladium-film in de yttriumlaag. De spiegelende laag werd plotseling lichtgeel en doorzichtig. Deze overgang correspondeerde met de overgang van YH naar YH. Door de druk op YH verder op te voeren hoopt de Amsterdamse groep metallisch waterstof te maken. Dat zou zich vooral moeten manifesteren via een plotselinge daling van de elektrische weerstand. “Dat aan te tonen is niet zo simpel”, aldus Griessen. “Ons preparaat is ingeklemd tussen twee diamanten en is kleiner dan een stipje. We meten de weerstand ervan met vier draadjes die een dikte hebben van minder dan een tiende van een mensenhaar.”

De overgang van metallisch spiegelend YH naar elektrisch isolerend en transparant YH was weliswaar spectaculair, maar vond plaats onder extreme omstandigheden: hoge druk en lage temperatuur. “We wilden een mooi plaatje bij een artikel, daarom probeerden we of het ook bij kamertemperatuur ging”, zegt Huiberts. Dus werd een yttrium-laag, beschermd door een dunne film palladium, in een eenvoudig glazen vacuümvat (cryostaat) gemonteerd. Nadat het vat gevuld was met waterstof bij kamertemperatuur, werd de glimmende yttrium-laag in enkele seconden doorzichtig. Werd het waterstofgas weggepompt, dan werd de doorzichtige laag spiegelend als tevoren.

Het effect bleek zich moeiteloos te herhalen zonder dat de yttrium-laag beschadigde. Daarmee hadden de Amsterdamse onderzoekers het principe voor een 'schakelbare' spiegel in handen. Griessen nam contact op met Philips en dat leidde tot een contract tussen de Vrije Universiteit, de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) en het Philips Natuurkundig Laboratorium (Natlab) in Eindhoven. “Zo'n spectaculair verschijnsel bij kamertemperatuur is in de vaste-stof fysica iets heel bijzonders”, aldus prof.dr. H. van Houten, groepsleider van het Natlab. “We kenden al elektrochrome materialen, die van kleur veranderen als je er spanning op zet, maar een overgang van spiegelend naar transparant is wezenlijk iets nieuws.”

Exploratief

Aan toepassingen geen gebrek, aldus Van Houten. “Denk aan een spiegelreflex camera waar je de spiegel niet meer hoeft weg te klappen, aan privacy-glas of het schakelen van licht tussen glasvezels. Voorlopig richten we ons op exploratief onderzoek. We willen weten in welke materialen het verschijnsel optreedt en hoe snel we kunnen schakelen. Het is Philips-onderzoekers al gelukt het schakelen te versnellen door het yttrium te vervangen door een ander materiaal. Ook is het gelukt een yttrium-laag protonen uit een vloeistof te laten opnemen. Het spiegel-schakel effect is dan eenvoudig te bereiken door een batterij aan te sluiten.”

Bovendien is het effect aangetroffen in lanthaan en verschillende zeldzame-aardmetalen. Twintig jaar nadat het onderzoek aan waterstof in metalen een piek beleefde - toen als brandstofopslag - lijkt het vakgebied op de drempel te staan van een renaissance. “Onze voorgangers hebben nooit goed naar hun preparaten gekeken. Daardoor hebben ze het verschijnsel gemist”, aldus Griessen. “De metaalhydride YH is niet alleen interessant door zijn toepassingen, tegelijk stelt het theoretisch natuurkundigen voor een raadsel. Op dit moment begrijpt niemand waarom het doorzichtig en isolerend is.”