Bijna een eeuw nadat het werd getheoretiseerd, Wetenschappers van Harvard zijn erin geslaagd de zeldzaamste - en mogelijk een van de meest waardevolle - materialen op aarde te creëren.

Het materiaal - atomaire metallische waterstof - is gemaakt door Thomas D. Cabot, hoogleraar natuurwetenschappen Isaac Silvera en postdoctoraal onderzoeker Ranga Dias. Naast het helpen van wetenschappers bij het beantwoorden van fundamentele vragen over de aard van materie, van het materiaal wordt getheoretiseerd dat het een breed scala aan toepassingen heeft, ook als supergeleider bij kamertemperatuur. De creatie van het zeldzame materiaal wordt beschreven in een paper van 26 januari gepubliceerd in Wetenschap .

"Dit is de heilige graal van hogedrukfysica, " zei Silvera. "Het is het allereerste monster van metallische waterstof op aarde, dus als je ernaar kijkt, je kijkt naar iets dat nooit eerder heeft bestaan."

Om het te creëren, Silvera en Dias persten een klein waterstofmonster van 495 gigapascal, of meer dan 71,7 miljoen pond per vierkante inch - groter dan de druk in het centrum van de aarde. Bij die extreme druk, Silvera legde uit, vaste moleculaire waterstof - die bestaat uit moleculen op de roosterplaatsen van de vaste stof - breekt af, en de strak gebonden moleculen dissociëren tot transformaties in atomaire waterstof, wat een metaal is.

Hoewel het werk een belangrijk nieuw inzicht biedt in de algemene eigenschappen van waterstof, het biedt ook prikkelende hints voor potentieel revolutionaire nieuwe materialen.

"Een voorspelling die erg belangrijk is, is dat metastabiel wordt voorspeld dat metastabiele waterstof is. " zei Silvera. "Dat betekent dat als je de druk wegneemt, het blijft metaalachtig, vergelijkbaar met de manier waarop diamanten worden gevormd uit grafiet onder intense hitte en druk, maar blijft een diamant wanneer die druk en warmte wordt verwijderd."

Begrijpen of het materiaal stabiel is, is belangrijk, Silvera zei, omdat voorspellingen suggereren dat metallische waterstof zou kunnen werken als een supergeleider bij kamertemperatuur.

"Dat zou revolutionair zijn, " zei hij. "Maar liefst 15 procent van de energie gaat verloren aan dissipatie tijdens transmissie, dus als je draden van dit materiaal zou kunnen maken en ze in het elektriciteitsnet zou kunnen gebruiken, het zou dat verhaal kunnen veranderen."

Onder de heilige gralen van de natuurkunde, een supergeleider op kamertemperatuur, Dias zei, zou ons transportsysteem radicaal kunnen veranderen, het mogelijk maken van magnetische levitatie van hogesnelheidstreinen, evenals het efficiënter maken van elektrische auto's en het verbeteren van de prestaties van veel elektronische apparaten.

Het materiaal zou ook voor belangrijke verbeteringen kunnen zorgen in de productie en opslag van energie - omdat supergeleiders een weerstand zonder weerstand hebben, zou energie kunnen worden opgeslagen door stromen in supergeleidende spoelen te handhaven, en vervolgens worden gebruikt wanneer dat nodig is.

Hoewel het het potentieel heeft om het leven op aarde te transformeren, metallische waterstof zou ook een sleutelrol kunnen spelen bij het helpen van mensen om de verre uithoeken van de ruimte te verkennen, als de krachtigste raketstuwstof die tot nu toe is ontdekt.

"Het kost enorm veel energie om metallische waterstof te maken, " legde Silvera uit. "En als je het weer omzet in moleculaire waterstof, al die energie komt vrij, dus het zou het de krachtigste raketstuwstof maken die de mens kent, en zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de raketten."

De krachtigste brandstoffen die tegenwoordig worden gebruikt, worden gekenmerkt door een "specifieke impuls" - een maatregel, in seconden, van hoe snel een drijfgas wordt afgevuurd vanaf de achterkant van een raket - van 450 seconden. De specifieke impuls voor metallische waterstof, ter vergelijking, wordt getheoretiseerd als 1, 700 seconden.

"Dat zou je gemakkelijk in staat stellen om de buitenste planeten te verkennen, " zei Silvera. "We zouden raketten in een baan om de aarde kunnen brengen met slechts één trap, tegen twee, en grotere ladingen zou kunnen verzenden, dus het kan heel belangrijk zijn."

Om het nieuwe materiaal te maken, Silvera en Dias wendden zich tot een van de hardste materialen op aarde - diamant.

Maar in plaats van natuurlijke diamant, Silvera en Dias gebruikten twee kleine stukjes zorgvuldig gepolijste synthetische diamant die vervolgens werden behandeld om ze nog sterker te maken en vervolgens tegenover elkaar gemonteerd in een apparaat dat bekend staat als een diamanten aambeeldcel.

"Diamanten worden gepolijst met diamantpoeder, en dat kan koolstof uit het oppervlak gutsen, " zei Silvera. "Toen we naar de diamant keken met behulp van atoomkrachtmicroscopie, we vonden gebreken, waardoor het zou kunnen verzwakken en breken."

De oplossing, hij zei, was om een ​​reactief ionen-etsproces te gebruiken om een ​​klein laagje te scheren - slechts vijf micron dik, of ongeveer een tiende van een mensenhaar - van het oppervlak van de diamant. De diamanten werden vervolgens bedekt met een dunne laag aluminiumoxide om te voorkomen dat de waterstof in hun kristalstructuur zou diffunderen en ze bros zou maken.

Na meer dan vier decennia werk aan metallische waterstof, en bijna een eeuw nadat het voor het eerst werd getheoretiseerd, het materiaal voor de eerste keer zien, Silvera zei, was spannend.

"Het was heel spannend, ' zei hij. 'Ranga leidde het experiment, en we dachten dat we daar misschien zouden komen, maar toen hij me belde en zei:'Het monster schijnt, ' Ik ging daar naar beneden rennen, en het was metallische waterstof.

"Ik zei meteen dat we de metingen moesten doen om het te bevestigen, dus we hebben het lab herschikt... en dat is wat we deden, " zei hij. "Het is een geweldige prestatie, en zelfs als het alleen bestaat in deze diamanten aambeeldcel onder hoge druk, het is een zeer fundamentele en transformerende ontdekking."