Eindelijk bestaat het: metaalwaterstof

Natuurkunde

Waterstof in metaalvorm zou wonderbaarlijke eigenschappen hebben. Nu het goedje gemaakt is, kan het eindelijk getest worden.

Foto Steve Jacobsen/Northwestern

Metallisch waterstof is een materiaal dat rechtstreeks afkomstig lijkt uit sciencefiction. Een revolutionaire raketbrandstof, een supergeleider bij kamertemperatuur, en het materiaal waaruit het binnenste van Jupiter en Saturnus bestaat.

In Science van deze vrijdag beschreven natuurkundigen Isaac Silvera en Ranga Dias van Harvard University dat ze dit materiaal voor het eerst gemaakt hebben. Ze deden het door een flintertje gewoon waterstof extreem samen te persen tot een druk van 4,95 miljoen atmosfeer.

„Dit is het dan eindelijk”, zegt Silvera aan de telefoon. Metallisch waterstof, een vorm van waterstof waarin de atomen en elektronen zich gedragen als in een metaal, is al in 1935 voorspeld door de theoretisch natuurkundigen Eugene Wigner en Hillard Huntington. Maar zij dachten dat de technologie om de benodigde drukken te halen nooit beschikbaar zou komen.

Isaac Silvera en een handvol concurrerende onderzoeksgroepen proberen het toch, sinds de jaren zeventig – de Amerikaan was destijds hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam.

En nu lijkt het dan gelukt, met dank aan de een zogeheten diamond anvil. Een hightech bankschroef, bestaand uit twee synthetische diamantjes met een smal, glad uiteinde. Daartussen komt het te onderzoeken monster, waarna de bankschroef aangedraaid wordt, letterlijk door aan een schroef te draaien.

Begin oktober 2016 voerden Silvera en Dias de druk op, op een schijfje waterstof van 0,01 millimeter breed en 0,001 millimeter dik. Tijdens het opvoeren van de druk veranderde het waterstof van transparant naar zwart, een fase van het materiaal die al eerder beschreven was.

Maar bij 4,95 miljoen atmosfeer werd een nieuwe verandering zichtbaar. Silvera: „Toen we de schroef verder draaiden, veranderde het ineens van zwart in metalig glanzend. Het was in oktober, een heel opwindend moment. Je ziet het metaal echt glanzen.”

Op de foto’s is dat minder goed te zien. De onderzoekers hebben ook reflecties gemeten, en die kloppen goed met een model voor het gedrag van elektronen in metalen. Voldoende bewijs, vindt Silvera, om de metaalwaterstoftrofee binnen te halen.

Daarmee is hij verschillende concurrerende onderzoeksgroepen te snel af. „Het is een heel competitief vakgebied”, zegt Silvera. Vorig jaar meldde Eugene Gregoryanz van de Universiteit van Edinburgh in Nature Materials dat zijn groep waterstof met metaalkenmerken gemaakt had, maar vakgenoten twijfelen daaraan.

Raketbrandstof

De ontdekking van metallisch waterstof belooft spectaculaire toepassingen. Russische natuurkundigen lieten in 1972 zien dat het waterstofmetaal, als het eenmaal gevormd is, misschien kan blijven bestaan als de druk wordt opgeheven.

„Als dat zo is, kun je het gebruiken als raketbrandstof”, zegt Silvera. Als metaalwaterstof omgezet wordt in gewoon waterstof, komt er twintig keer zo veel energie vrij als bij de verbranding van waterstof met zuurstof, de mix waarop de spaceshuttle werd aangedreven.

Samen met NASA-expert John Cole berekende Silvera dat metaalwaterstof drie tot vier keer zo veel stuwkracht per kilo herbergt. Een klein nadeel: bij die reactie wordt het wel 7.000 °C, een temperatuur waarbij alle bestaande materialen smelten.

Daarnaast is metaalwaterstof mogelijk een supergeleider bij kamertemperatuur. Dan zouden extreem efficiënt energietransport, magneetzweeftreinen, MRI-apparatuur en nog een hele reeks hightechtoepassingen binnen handbereik komen.

En metaalwatersstof ís waarschijnlijk al in gebruik – in de kern van reuzenplaneten als Jupiter en Saturnus. „Die planeten hebben een magneetveld, net als de aarde, maar dan veel krachtiger”, zegt Silvera. In het binnenste van de aarde veroorzaken stromen van vloeibaar, elektrisch geleidend ijzer dat magneetveld. In de kern van reuzenplaneten speelt waarschijnlijk metaalwaterstof de rol van ijzer.

70 procent zeker

„Het is een heel interessant paper”, zegt Rinke Wijngaarden, natuurkundige bij de Vrije Universiteit in Amsterdam. In 1982 promoveerde hij bij Silvera, toen die aan de Universiteit van Amsterdam werkte.

Wijngaarden is ervan overtuigd dat het materiaal een metaal is, maar het zou ook kunnen bestaan uit waterstofmoleculen in plaats van atomen. „De metingen zou je ook anders kunnen interpreteren. Laten we zeggen dat ik voor 70 procent zeker ben dat Silvera inderdaad gevonden heeft wat hij zegt te hebben gevonden.”

Het definitieve bewijs, zegt Wijngaarden, zou een meting zijn van de elektrische weerstand van het waterstof, liefst bij verschillende temperaturen. „Maar daarvoor moet je draadjes aansluiten op het monster, en ik weet zelf ook hoe lastig dat is.”

De metalige weerschijn, zegt Isaac Silvera, is een van de beste manieren om aan te tonen dat het waterstof overgegaan is van een molecuulvorm, waarbij de atomen in paartjes aan elkaar gekoppeld zijn, naar een metaalrooster, waarin alle atomen op dezelfde afstand zitten.

Anders dan in moleculen kunnen elektronen in een metaal zich vrij bewegen. Ze gaan op in een soort klotsend collectief dat ook wel de ‘elektronenzee’ heet. Daardoor geleiden metalen elektrische stroom, en hebben ze de karakteristieke spiegelende metaalglans.

Silvera en Dias werken inmiddels al aan vervolgmetingen. De belangrijkste vraag is of het materiaal inderdaad metallisch blijft als de druk eraf gaat. „Alles staat hier nog, beneden in het lab. Maar als je de druk terugschroeft, breken de diamanten vaak, en kun je je monster niet meer terugvinden. Dat doen we dus pas als we alle metingen hebben gedaan die we kunnen bedenken.”

    • Bruno van Wayenburg