Metallic solid-state hydrogen storage crystals achieved through chemical precompression under ambient conditions
Cet article fait état de la découverte d'un cristal de stockage d'hydrogène à l'état solide, métallique et stable (H9@C20), formé par la précompression chimique d'atomes d'hydrogène à l'intérieur de cages de fullerène C20 dans des conditions ambiantes, atteignant une densité d'hydrogène qui surpasse celle de l'hydrogène solide et offrant une voie prometteuse pour le stockage de l'hydrogène à haute densité.
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Depuis des décennies, les scientifiques recherchent un matériau qui se comporte à la fois comme un supraconducteur et un super-carburant : l'hydrogène métallique. Dans son état normal, l'hydrogène est un gaz extrêmement léger et difficile à compacter étroitement. Pour le forcer à adopter un état solide et dense où ses atomes se comportent comme un métal, les chercheurs ont traditionnellement dû le comprimer avec des pressions des centaines de fois supérieures à celles existant au fond de l'océan le plus profond. Cette pression extrême constitue un obstacle massif, rendant le matériau difficile à créer et impossible à conserver une fois la pression relâchée. Pourtant, la promesse d'un tel matériau est immense, particulièrement pour le stockage de l'énergie et l'alimentation de la fusion nucléaire, le processus qui alimente le soleil. Le défi central a été de trouver un moyen de maintenir les atomes d'hydrogène proches les uns des autres sans avoir besoin d'une machine géante pour les y maintenir.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Jilin en Chine a proposé une nouvelle façon de résoudre ce problème en utilisant la chimie plutôt que la force brute. Ils décrivent une méthode appelée « précompression chimique », où la tendance naturelle des atomes à se lier les uns aux autres crée une compression interne qui imite l'effet d'une pression externe extrême. En piégeant les atomes d'hydrogène à l'intérieur d'une minuscule cage creuse faite de carbone, ils ont créé un cristal qui reste dense et stable même dans des conditions normales de température ambiante. Cette découverte suggère une voie vers un stockage d'hydrogène à haute densité qui ne nécessite pas les pressions écrasantes habituellement associées à l'hydrogène métallique.
Les chercheurs se sont concentrés sur un type spécifique de molécule de carbone connu sous le nom de fullerène, qui a la forme d'une sphère creuse. Bien que des fullerènes plus grands aient été étudiés auparavant, cette équipe a porté son attention sur la plus petite version possible, une cage composée de seulement vingt atomes de carbone. Seule, cette minuscule cage de carbone est instable et difficile à manipuler. Cependant, l'équipe a théorisé que si elle pouvait remplir cette cage d'atomes d'hydrogène puis lier les cages entre elles, elle pourrait créer un cristal tridimensionnel stable. En utilisant des simulations informatiques puissantes pour modéliser le comportement de ces atomes, ils ont conçu une structure où neuf atomes d'hydrogène sont verrouillés à l'intérieur de chaque cage de carbone. Huit de ces atomes d'hydrogène se lient directement aux parois de carbone, tandis que le neuvième flotte au centre exact.
Ce qui rend cette structure remarquable, c'est la façon dont la cage de carbone se transforme pour accommoder l'hydrogène. Dans une molécule de carbone normale, les atomes sont disposés de manière à permettre le partage lâche d'électrons. Mais dans ce nouveau cristal, la pression des liaisons d'hydrogène force les atomes de carbone à se réorganiser complètement. Ils se déplacent vers une configuration plus serrée et plus rigide qui permet aux cages de se lier entre elles, formant un bloc solide. Cette restructuration interne agit comme un serre-joint, maintenant les atomes d'hydrogène si étroitement qu'ils sont beaucoup plus denses que dans la glace d'hydrogène solide. La densité de l'hydrogène à l'intérieur de ces cages est plus de trois fois supérieure à celle de l'hydrogène solide, et ce, sans aucune pression externe.
Les simulations montrent que ce nouveau matériau n'est pas seulement stable, mais aussi étonnamment dur. Les liaisons fortes entre les cages de carbone confèrent au cristal une résistance à la déformation qui rivalise avec certains des matériaux les plus durs connus, bien qu'il ne soit pas aussi dur que le diamant. Plus important encore, la façon dont les électrons circulent au sein du groupe d'hydrogène modifie sa nature fondamentale. Normalement, l'hydrogène solide agit comme un isolant, bloquant le flux d'électricité. Cependant, dans cette disposition spécifique, les atomes d'hydrogène partagent leurs électrons de manière à permettre à l'électricité de circuler librement, conférant au matériau des propriétés métalliques. Les chercheurs ont découvert que l'atome d'hydrogène situé au centre de la cage est la clé de cette transformation ; sans lui, le matériau resterait un semi-conducteur plutôt qu'un métal.
Pour pousser le potentiel de cette découverte encore plus loin, l'équipe a examiné les espaces vides entre les cages de carbone dans leur modèle de cristal. Ils ont découvert que ces interstices pourraient être comblés par des molécules d'hydrogène supplémentaires sans briser la structure. En empaquetant quatre molécules d'hydrogène supplémentaires dans les espaces entre les cages, ils ont créé un matériau hybride qui stocke à la fois l'hydrogène atomique à l'intérieur des cages et l'hydrogène moléculaire dans les interstices. Cette approche mixte augmente la capacité totale de stockage de l'hydrogène du matériau, augmentant considérablement sa capacité de stockage par rapport à son poids tout en maintenant l'ensemble du système stable à température ambiante.
L'étude repose entièrement sur la modélisation informatique, ce qui signifie que le matériau n'a pas encore été créé physiquement en laboratoire. Les chercheurs reconnaissent que la synthèse d'un cristal aussi complexe à pression normale est un défi expérimental important. Ils suggèrent qu'une voie possible pour rendre cela réel consisterait à créer le matériau sous haute pression d'abord, puis à trouver un moyen de le maintenir stable une fois la pression retirée, une technique qui a fonctionné pour d'autres matériaux avancés par le passé. Bien que le chemin allant de la simulation informatique à un produit physique soit long, ce travail fournit un plan directeur clair sur la façon dont les liaisons chimiques peuvent être utilisées pour piéger l'hydrogène dans un état métallique dense, offrant une nouvelle direction pour le développement de la prochaine génération de stockage d'énergie.
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