Superatomic hydrogen: achieving effective aggregation of hydrogen atoms at pressures lower than that of metallic hydrogen

Waterstof is het meest voorkomende element in het universum, maar onder de omstandigheden die wij dagelijks ervaren, bestaat het als een gas van paren atomen die vrij rondzweven. Al bijna een eeuw wonderen wetenschappers zich af wat er gebeurt wanneer dit gas met enorme kracht wordt samengeperst. De theorie suggereert dat als er genoeg druk wordt uitgeoefend, de bindingen die de waterstofparen bij elkaar houden zullen breken, waardoor de atomen in een vaste staat worden gedwongen waarin hun elektronen vrij ronddwalen. Deze staat, bekend als metallisch waterstof, zou zich als een metaal gedragen en zou potentieel de energieproductie kunnen revolutioneren door gecontroleerde kernfusie gemakkelijker te maken. Het creëren van deze staat in een laboratorium is echter ongelooflijk moeilijk gebleken. De druk die nodig is om gewoon waterstof in deze metallische vorm te dwingen is zo extreem — honderden malen groter dan de druk in het centrum van de aarde — dat het decennialang buiten bereik is gebleven, ondanks vele pogingen.

Een team onderzoekers aan de Jilin Universiteit heeft een ander pad voorgesteld naar deze ongrijpbare staat, een pad dat niet vereist dat een blok waterstof wordt samengeperst tot het een metaal wordt. In plaats van te proberen een enorme hoeveelheid waterstof in één keer samen te persen, richtten zij zich op een kleine, specifieke rangschikking van slechts dertien waterstofatomen. Ze stelden zich een structuur voor waarbij één waterstofatoom in het midden zit, omringd door een schil van twaalf andere, wat een kooi vormt. Met behulp van krachtige computersimulaties om te modelleren hoe dit kleine cluster reageert op druk, ontdekten ze dat deze specifieke rangschikking een metallische-achtige staat kan bereiken bij drukwaarden die veel lager liggen dan voorheen mogelijk werd geacht. De studie suggereert dat door waterstofatomen in deze kleine, stabiele clusters te organiseren, het mogelijk is om een materiaal te creëren dat de belangrijkste elektronische eigenschappen van metallisch waterstof deelt zonder de verpletterende krachten nodig te hebben die wetenschappers al zo lang in de steek laten.

De onderzoekers begonnen met het construeren van een model van dit dertien-atoomcluster, dat zij H13 noemden, en simuleerden vervolgens het proces van het steeds strakker samenpersen van dit cluster. Ze keken nauwlettend toe hoe de elektronen, die normaal gesproken dicht bij hun eigen atomen blijven, zouden reageren op de compressie. In het begin, wanneer de atomen ver uit elkaar lagen, bleven de elektronen gelokaliseerd en bleven ze bij hun individuele 'thuis'. Maar naarmate de afstand tussen het centrale atoom en de omringende schil afnam, trad er een opmerkelijke verandering op. Op een specifiek punt stopten de elektronen met het op hun plek blijven. Het centrale waterstofatoom begon zijn elektron op te geven, en dat elektron, samen met de anderen van de omringende atomen, verspreidde zich over het gehele cluster. Dit creëerde een staat waarin de elektronen vrij over de hele structuur bewogen, een gedrag dat een metaal definieert. De onderzoekers ontdekten dat deze transitie plaatsvond wanneer het cluster werd samengeperst tot een straal van ongeveer 1,9 angström, een afstand zo klein dat deze wordt gemeten in miljardsten van een meter.

Wat deze ontdekking zo belangrijk maakt, is de hoeveelheid kracht die nodig is om deze verandering te triggeren. De simulaties toonden aan dat de druk die nodig is om het H13-cluster in deze nieuwe, gedelokaliseerde staat te duwen, ongeveer twee ordes van grootte lager was dan de druk die nodig is om traditioneel metallisch waterstof te creëren. Terwijl het creëren van metallisch waterstof uit een bulkmateriaal een druk van meer dan 500 gigapascal kan vereisen, bereikte dit superatomaire cluster een vergelijkbare elektronische staat bij drukken van slechts 6,2 gigapascal. Om dit in perspectief te plaatsen: de benodigde druk is vergelijkbaar met wat diep in de aarde wordt aangetroffen, in plaats van de onmogelijke extremen die nodig zijn voor het bulkmateriaal. De onderzoekers bevestigden dat deze "superatomaire" staat stabiel was en dat de elektronen inderdaad gedelokaliseerd waren, wat betekent dat ze over het hele molecuul werden gedeeld in plaats van dat ze bij een enkel atoom hoorden. Dit gedrag weerspiegelt de eigenschappen van metallisch waterstof, wat suggereert dat het cluster fungeert als een enkel, gigantisch atoom met zijn eigen unieke elektronische structuur.

Het team onderzocht ook of dit effect uniek was aan de perfecte, bolvormige vorm van hun model of dat het stand zou houden onder minder ideale omstandigheden. Ze testten variaties van het cluster, waaronder vormen die werden uitgerekt tot ellipsoïden en clusters met slechts twaalf atomen en zonder centrum. In elk geval gaven de simulaties aan dat deze structuren nog steeds een superatomaire staat konden bereiken bij drukken die aanzienlijk lager waren dan die vereist voor bulk-metallisch waterstof. Hoewel de exacte druk enigszins varieerde afhankelijk van de vorm en symmetrie van het cluster, bleef de trend duidelijk: het organiseren van waterstof in deze specifieke kooien verlaagt de drempel voor het creëren van een metallische-achtige staat. De onderzoekers merkten op dat hoewel het H13-cluster met een centraal atoom de minste druk vereiste, de andere configuraties nog steeds een veel toegankelijkere route boden dan de huidige methoden.

Dit werk beweert niet het probleem van het creëren van metallisch waterstof voor direct gebruik in fusiereactoren te hebben opgelost. In plaats daarvan biedt het een nieuw theoretisch kader en een potentiële strategie om de noodzakelijke omstandigheden te bereiken. Het artikel benadrukt een grote wetenschappelijke hindernis die blijft bestaan: hoe men deze kleine waterstofkooien fysiek kan bouwen en bevatten in een echt experiment. De simulaties tonen aan dat de fysica werkt, maar de uitdaging ligt nu in het technisch realiseren van een systeem dat de waterstofatomen in deze specifieke rangschikking kan vangen en de nodige druk kan handhaven. Als wetenschappers een manier kunnen vinden om deze kooien te construeren, bijvoorbeeld door andere materialen te gebruiken om de waterstof op zijn plaats te houden, zou dit de deur kunnen openen naar het bestuderen van de eigenschappen van metallisch waterstof zonder de meest extreme druk van het universum nodig te hebben. De studie suggereert dat de weg naar het ontsluiten van de geheimen van metallisch waterstof misschien niet door brute kracht loopt, maar door de slimme ordening van atomen in stabiele, superatomaire clusters.