METALLISCH WATERSTOF ONDER HOGE DRUK NOG LANG NIET BEGREPEN

Vast waterstof, zo voorspellen fysici, krijgt onder hoge druk de eigenschappen van een metaal. Dit jaar rapporteerde een Amerikaanse onderzoeksgroep in Physical Review Letters het metallische karakter, uitgaande van vloeibaar waterstof, met behulp van compressie door schokgolven te hebben waargenomen.

Bestudering van het verschijnsel verloopt in de regel met gebruikmaking van licht (spectroscopie), waarbij het waterstof in een diamantcel is opgesloten, of aan de hand van computermodellen.

Franse onderzoekers onder leiding van P. Loubeyre (Université Paris) hebben met röntgendiffractie de structuur van het metallische waterstof nu nader onderzocht (Nature, 24 oktober). Daarbij keken ze zowel naar gewone waterstof als naar zware waterstof (deuterium), waarbij de atoomkern behalve een proton ook nog een ongeladen neutron bevat. In het eerste geval bedroeg de druk maximaal 109 gigapascal (ongeveer een miljoen atmosfeer), bij deuterium was dat 119 gigapascal.

Röntgendiffractie is in het geval van vaste waterstof een moeizaam te gebruiken techniek omdat maar een zeer gering deel van het signaal door de atoomlagen wordt teruggekaatst en zo gemakkelijk in de achtergrondruis ten onder kan gaan. Het nieuwe Europese synchrotronlaboratorium in Grenoble (ESRF, European Synchroton Radiation Facility) heeft een zo krachtige röntgenbundel dat toch zinvol gemeten kan worden. De onderzoekers bestudeerden zeven kristallen: drie zuivere waterstofkristallen (H), waarmee totaan een druk van 50 gigapascal gemeten kon worden, twee H-kristallen in helium en twee deuteriumkristallen in helium. Een omgeving van helium, dat in het geheel niet met waterstof mengt, maakt drukken tot boven de 100 gigapascal bereikbaar. Het vaste helium fungeert als een soort kussen en beschermt het waterstofkristal tegen breuk.

Door de druk te variëren en het volume te meten, alles bij 27 graden celcius, verkregen ze een toestandsvergelijking voor het waterstofkristal: een formule waarin het verband tussen druk en volume is weergegeven. Deze experimenteel bepaalde formule wijkt sterk af van wat de theoretische modellen leveren. Vast waterstof blijkt meer samendrukbaar te zijn dan tot nu toe werd verondersteld en ook is er veel minder dan verwacht verschil tussen vast waterstof en vast deuterium. Ten slotte blijkt vast waterstof bij hogere druk in toenemende mate anisotroop te worden, wat betekent dat de eigenschappen in verschillende richtingen anders zijn.

De conclusie, zo schrijven de onderzoekers, kan niet anders zijn dan dat het theoretische begrip van sterk gecomprimeerd vast waterstof, wellicht het fundamenteelste veel-deeltjessysteem omdat alle interacties elektrostatisch zijn, veel te wensen overlaat.