Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

In de solide wereld van materialen is waterstof een meester in vermomming. Bij de druk waaronder wij dagelijks leven, bindt het zich op voorspelbare manieren: soms als een eenvoudig gas, soms stevig opgesloten in metalen, of door de vorming van complexe structuren die energie opslaan. Decennialang wisten wetenschappers dat als ze waterstof hard genoeg zouden samenpersen—drukken die diep in reuzenplaneten worden gevonden of gegenereerd in gespecialiseerde laboratoria—het zich op geheel nieuwe manieren zou gedragen. Onder dergelijke extreme compressie worden waterstofatomen zo dicht bij elkaar gedreven dat ze dichte, ongewone netwerken vormen, wat een klasse materialen creëert die superhydriden worden genoemd. Deze exotische verbindingen staan bekend om één verbijsterende eigenschap: sommige kunnen elektriciteit geleiden met nul weerstand bij temperaturen die veel warmer zijn dan die van elk ander bekend supergeleidend materiaal. Echter, een grote hindernis heeft altijd in de weg gestaan om ze te gebruiken. Deze superhydriden zijn als ijsblokjes in een woestijn; op het moment dat de verpletterende druk wordt losgelaten, smelten ze terug naar gewone, minder interessante stoffen. De grote uitdaging voor onderzoekers is geweest om een manier te vinden om deze hogedrukurganen te vangen, zodat ze kunnen overleven in de open lucht, waardoor hun opmerkelijke eigenschappen beschikbaar komen voor werkelijk gebruik.

Een team onderzoekers in Frankrijk heeft nu een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type superhydride te creëren dat weigert uit elkaar te vallen wanneer de druk wordt losgelaten. Werkend met een mengsel van yttrium, ijzer en waterstof, gebruikten ze een apparaat genaamd een diamantamboscel om de materialen tegen elkaar aan te drukken. Door het monster te verhitten met een laser terwijl het onder immense druk stond, hebben ze de atomen bewogen om een specifieke, hooggeordende structuur te vormen. Het resultaat was een verbinding met de formule Y3Fe4H20, een materiaal dat vol zit met waterstofatomen op een manier die nooit eerder is gezien. Wat deze ontdekking werkelijk bijzonder maakt, is dat wanneer de wetenschappers de druk langzaam verlaagden, het materiaal niet instortte. In plaats daarvan behield het zijn vorm en bleef het stabiel, zelfs nadat het was teruggekeerd naar de normale atmosferische druk. Dit markeert de eerste keer dat een superhydride met een dergelijk hoog waterstofgehalte is teruggevonden en intact is gehouden onder alledaagse omstandigheden.

Om te begrijpen wat ze hadden gevonden, moest het team in de kristalstructuur van hun nieuwe materiaal kijken. Met behulp van krachtige röntgenstralen brachten ze de posities van de zware metaalatomen, yttrium en ijzer, in kaart. Omdat waterstofatomen te licht zijn om duidelijk zichtbaar te zijn door röntgenstraling, gebruikten de onderzoekers geavanceerde computersimulaties om te achterhalen waar de waterstof zich moet bevinden om de structuur stabiel te maken. Het beeld dat naar voren kwam, was een uniek architectonisch ontwerp. De ijzeratomen zijn elk omringd door acht waterstofatomen, wat kubusvormige moleculaire eenheden vormt. Deze kubussen zweven niet alleen; ze zijn met elkaar verbonden via de zijden, waarbij ze waterstofatomen delen om lange, continue ketens te vormen. De yttriumatomen bevinden zich in de ruimtes tussen deze ketens, op hun plaats gehouden door elektrische krachten. De onderzoekers vergeleken deze rangschikking met de manier waarop silicium en zuurstof zich verbinden in silicaatmineralen, een veelvoorkomende familie van gesteenten, maar hier zijn de "gesteenten" gemaakt van waterstof en metaal. Dit silicaatachtige raamwerk van waterstofketens is wat het materiaal zijn kracht geeft en het in staat stelt te overleven zonder de verpletterende druk die het normaal gesproken creëert.

De reis naar deze ontdekking begon met een specifiek startpunt: een reeds bestaande verbinding van yttrium en ijzer die al enige waterstof had geabsorbeerd. Het team plaatste kleine kristallen van dit materiaal, samen met extra waterstofgas, tussen twee diamantpunten. Ze pasten druk toe, bereikend tot niveaus van 90 gigapascal, wat meer is dan een miljoen keer de druk van de atmosfeer op zeeniveau. Op deze dieptes worden de atomen in een nauwe omhelzing gedwongen. Om hen te helpen zich te herschikken naar de meest stabiele vorm, vuurden de wetenschappers een laser op het monster, waardoor het kortstondig werd verhit tot temperaturen rond de 1.500 graden Celsius. Deze hitte gaf de atomen de energie die ze nodig hadden om naar hun nieuwe posities te springen. Wanneer ze het monster afkoelden en de resultaten controleerden, ontdekten ze dat er een nieuw, onderscheidend kristal was gevormd. Door het experiment meerdere malen te herhalen en verschillende drukken te gebruiken, bevestigden ze dat deze nieuwe structuur kon worden gecreëerd vanaf slechts 60 gigapascal.

Zodra het nieuwe kristal werd geïdentificeerd, keek het team wat er gebeurde toen ze de druk langzaam verminderden. In een typisch scenario zou een hogedrukmateriaal onmiddellijk uiteenvallen in simpelere stukken op het moment dat de druk wordt losgelaten. Maar Y3Fe4H20 gedroeg zich anders. Het bleef intact en behield zijn complexe interne orde terwijl de druk daalde tot nul. De wetenschappers observeerden het kristal meer dan 30 uur bij normale druk, en het vertoonde geen tekenen van uiteenvallen. Zelfs na drie maanden was een monster uit het experiment nog steeds herkenbaar, hoewel het een kleine hoeveelheid van zijn waterstof had verloren, waardoor het volume iets kromp. Dit langzame, gecontroleerde verlies van waterstof suggereert dat hoewel het materiaal niet perfect permanent is, het opmerkelijk stabiel is voor een stof die in zulke extreme omstandigheden is geboren. Het bewijst dat de specifieke rangschikking van atomen in deze superhydride sterk genoeg is om de drang te weerstaan om terug te keren naar zijn simpelere componenten.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar hoe de atomen trillen en interageren binnen deze structuur. Hun berekeningen toonden aan dat het materiaal elektrisch geleidend is, een noodzakelijke eigenschap voor supergeleiding, maar ze vonden dat het onwaarschijnlijk is dat het zelf een hoogtemperatuur-supergeleider is. De manier waarop de elektronen zijn verdeeld, suggereert dat hoewel het elektriciteit geleidt, het dat niet doet met de efficiëntie van nul weerstand die wordt gezien in andere beroemde superhydriden zoals LaH10. De ontdekking gaat echter niet over directe toepassing als een supergeleider, maar over de bewijs van concept (proof of concept) die het biedt. Het demonstreert dat door verschillende metalen te mengen en de juiste structurele blauwdruk te gebruiken, wetenschappers waterstofrijke materialen kunnen creëren die metastabiel zijn—wat betekent dat ze in een staat kunnen bestaan die niet de meest stabiele mogbare is, maar stabiel genoeg is om een lange tijd te blijven bestaan. Dit opent de deur naar het zoeken naar andere soortgelijke verbindingen die deze stabiliteit kunnen combineren met de gewenste supergeleidende eigenschappen.

De methode die gebruikt is om dit materiaal te vinden, biedt een nieuwe weg voor ontdekking. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op computervoorspellingen om te raden welke combinaties van elementen zouden werken, combineerde het team experimentele synthese met gerichte computermodellering. Ze lieten het hogedrulexperiment de vorm van het metalen skelet onthullen, en gebruikten vervolgens de computer om de ontbrekende waterstofatomen in te vullen. Deze aanpak stelde hen in staat een structuur te vinden die te complex is voor huidige computerzoekopdrachten om zelfstandig te vinden, aangezien het aantal atomen in de herhalende eenheid vrij groot is. Het succes van deze methode suggereert dat de beste manier om de volgende generatie exotische materialen te vinden, is door de hogedrukomgeving de ontdekking te laten leiden, waarbij computers worden gebruikt om de resultaten te interpreteren in plaats van te proberen ze vanuit het niets te voorspellen.

Vooruitblikkend dient de structuur van Y3Fe4H20 als een sjabloon voor toekomstig onderzoek. Omdat het materiaal gebouwd is op een specifiek raamwerk van verbonden waterstofketens, kunnen wetenschappers nu proberen de ijzeratomen te vervangen door andere metalen, zoals nikkel, om te zien of ze de eigenschappen kunnen bijsturen. Vroege berekeningen suggereren dat een dergelijke substitutie de potentie van het materiaal voor supergeleiding zou kunnen vergroten. De ontdekking van dit nieuwe prototype-structuur verandert het gesprek van "kunnen we deze materialen maken?" naar "welke van deze materialen kunnen we behouden?". Door te laten zien dat een superhydride de overgang van de diepe aarde naar de laboratoriumtafel kan overleven, biedt dit werk een tastbaar doelwit voor de volgende generatie materiaalkunde, waarmee de droom van kamertemperatuur-supergeleiders een stap dichter bij de realiteit wordt gebracht.