Hydrogène métallique 559443 30480961 2008-06-10T04:36:36Z CommonsDelinker 152115 Retrait automatique de lien rouge vers [[commons:Image:Meissner_effect.jpg|Image:Meissner_effect.jpg]], supprimé sur Commons par [[commons:User:ShakataGaNai|ShakataGaNai]] ; motif : per [[w:commons:Commons:Deletion_requests/Image:Meissner_effect.jpg L''''hydrogène métallique''' est une [[Phase (thermodynamique)|phase]] de l'[[hydrogène]] qui survient lorsqu'il est soumis à une très forte [[pression]] et à de très basses [[température]]s. C'est un exemple de [[matière dégénérée]]. D'aucuns estiment qu'il y a un intervalle de pressions (autour de 400GPa) tel que l'hydrogène métallique est [[liquide]], même à de très basses températures <ref>[http://www.iop.org/EJ/article/0953-8984/12/8A/314/c00h14.ps.gz]. Ashcroft N.W., The hydrogen liquids, J.Phys. A 12, A129-137 (2000).</ref> <ref>[http://www.nature.com/nature/journal/v431/n7009/full/nature02968.html]. Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations Nature 431, 669 (2004).</ref>. L'hydrogène métallique consiste en un [[Treillis (assemblage)|treillis]] de [[noyau atomique|noyaux atomiques]], en fait des [[proton]]s, dont l'espacement qui est significativement plus petit que le [[rayon de Bohr]]. En effet, l'espacement est davantage comparable à une [[longueur d'onde]] d'[[électron]] (voir l'[[hypothèse de De Broglie]]). Ces électrons ne sont pas liés et se comportent donc comme les électrons d'un [[métal]] [[conducteur (physique)|conducteur]]. ==Histoire== ===Prédiction des années 1930=== [[Image:EugeneWignerAlvinWeinberg.jpg|thumb|Eugene Wigner (à gauche) et Alvin Weinberg]] Bien que l'hydrogène soit tout en haut du [[tableau périodique des éléments|tableau périodique]], au sommet de la colonne des [[métal alcalin|métaux alcalins]], il n'en est pas un, ''sous des conditions normales''. En [[1935]], le futur lauréat du [[prix Nobel]] [[Eugene Wigner]] a prédit, avec H. B. Huntington, que sous des conditions de [[pression]] immense, les [[atome]]s d'hydrogène rejoindraient leur groupe du tableau périodique, délaissant ainsi leur lien étroit avec leur [[électron]] <ref>[http://dx.doi.org/10.1063/1.1749590] E. Wigner and H. B. Huntington, ''On the Possibility of a Metallic Modification of Hydrogen'' J. Chem. Phys. '''3''', 764 (1935).</ref>. La pression requise rendait alors les vérifications expérimentales presque impossibles. De plus, leurs prédictions sur la pression nécessaire n'étaient pas assez élevées <ref>[http://www.nature.com/nature/journal/v383/n6602/abs/383702a0.html] P. Loubeyre, R. LeToullec, D. Hausermann, M. Hanfland, R. J. Hemley, H. K. Mao, and L. W. Finger, '' X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures'' Nature '''383''', 702 (1996).</ref>. ===Découverte=== En mars [[1996]], des chercheurs du [[Lawrence Livermore National Laboratory]] ont rapporté avoir produit de l'hydrogène métallique <ref>[http://link.aps.org/abstract/PRL/v76/p1860] S. T. Weir, A. C. Mitchell, and W. J. Nellis, ''Metallization of Fluid Molecular Hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar)'' Physical Review Letters '''76''', 1860 - 1863 (1996).</ref>, une découverte par pure [[sérendipité]]. Pendant environ une [[microseconde]], des [[température]]s de milliers de [[kelvin]]s et des pressions de millions d'[[pression atmosphérique|atmosphères]] (>100 GPa) ont produit de l'hydrogène métallique identifiable, concluant ainsi 60 années de recherches. Le métal ainsi produit ne se comporte pas comme un métal alcalin. ===Recherche contemporaine=== Les expériences de production d'hydrogène métallique continuent en laboratoire. En [[1998]], [[Arthur Ruoff]] et [[Chandrabhas Narayana]] de l'[[université Cornell]] <ref>[http://www.nature.com/nature/journal/v393/n6680/abs/393046a0.html] C. Narayana, H. Luo, J. Orloff, and A. L. Ruoff ''Solid hydrogen at 342 GPa: no evidence for an alkali metal'' Nature '''393''', 46-49 (1998).</ref> et, en [[2002]], [[Paul Loubeyre]] et [[René LeToullec]] du [[Commissariat à l'énergie atomique]] en France, ont prouvé qu'à des pressions proches de celles régnant au [[Noyau (planète)|centre de la Terre]] (3,2 à 3,4 millions d'atmosphères) et des températures de 100 à 300&nbsp;K, l'hydrogène n'est toujours pas un métal alcalin. La recherche pour observer l'hydrogène métallique en laboratoire continue, plus de 70 ans après que son existence ait été prévue. ====Contexte==== Les chercheurs de l'équipe du ''Lawrence Livermore'' ne comptaient pas produire de l'hydrogène métallique, car ils n'employaient pas l'hydrogène solide, censé être nécessaire, et ils travaillaient au-dessus des températures indiquées par la [[théorie de la métallisation]]. En outre, dans les études précédentes selon lesquelles de l'hydrogène solide a été comprimé à l'intérieur d'[[enclume de diamant|enclumes de diamant]] à des pressions allant jusqu'à 2,5 millions d'atmosphères (~253 GPa), aucune métallisation discernable ne s'est produite. L'équipe ne cherchait qu'à mesurer les changements moins extrêmes de [[Conductivité électrique|conductivité]] qu'elle prévoyait. ====Détails expérimentaux==== Les chercheurs ont employé des [[pistolet à gaz léger|pistolets à gaz léger]] (utilisés à l'origine dans des études de [[missile|missiles guidés]] des [[années 1960]]) pour tirer sur une plaque à impacts placée dans un récipient scellé contenant un échantillon d'hydrogène liquide épais d'un demi-[[millimètre]]. D'abord, à une extrémité du pistolet, l'hydrogène a été refroidi environ à 20&nbsp;K à l'intérieur d'un récipient qui contient une batterie reliée par des fils à un [[enroulement de Rogowski]] et à un [[oscilloscope]] ; les fils touchent également la surface de l'hydrogène à plusieurs endroits, ainsi l'appareil peut être utilisé pour mesurer et enregistrer sa [[conductivité électrique]]. À l'extrémité opposée, jusqu'à 3&nbsp;[[kilogramme|kg]] de [[poudre à canon|poudre]] sont mis à feu. L'explosion résultante pousse le piston d'une pompe, comprimant le gaz à l'intérieur. Par la suite le gaz atteint une pression assez élevée pour ouvrir une valve à l'extrémité opposée de la chambre. En pénétrant le "baril" mince, il a propulsé la plaque à impacts en métal recouverte de plastique dans le récipient à une vitesse de 8&nbsp;km/s, comprimant l'hydrogène à l'intérieur. ====Résultats==== Les scientifiques ont été étonnés de constater que, quand la pression atteint 1,4 million d'atmosphères (142 GPa), la [[largeur de la bande interdite]] de l'énergie électronique (une mesure de résistivité électrique) tombe presque à zéro. L'espace de bande d'énergie électronique de l'hydrogène dans son état non comprimé est d'environ 15&nbsp;[[électron-volt|eV]], faisant de lui un [[isolant]], mais à mesure que la pression augmente, la largeur de la bande interdite tombe graduellement à 0,3&nbsp;eV. Puisque 0,3&nbsp;eV sont fournis par l'énergie thermique du fluide (la température est montée à environ 3&nbsp;000&nbsp;K à cause de la compression de l'échantillon), l'hydrogène peut à ce moment être entièrement considéré comme métallique. ==Astrophysique== [[Image:PIA04866 modest.jpg|thumb|Mosaïque de [[Jupiter (planète)|Jupiter]] en vraies couleurs réalisée à partir de photographies prises par la [[sonde Cassini-Huygens|sonde Cassini]]]] L'hydrogène métallique est présent en énormes quantités à l'intérieur de [[Jupiter (planète)|Jupiter]], [[Saturne (planète)|Saturne]] et certaines [[exoplanète]]s. L'intérieur de ces planètes est sujet à d'importantes forces de compression [[gravitation]]nelles. Les modèles de l'intérieur de ces planètes avaient pris pour acquis que l'hydrogène se métallifiait à de plus hautes pressions que celles ayant été découvertes subséquemment. Par conséquent, le noyau métallique de Jupiter est plus près de la surface que prévu et son [[champ magnétique]], le plus fort de toutes les planètes du [[système solaire]], est donc produit également plus près de la surface que prévu. ==Applications== ====Recherche sur la fusion nucléaire==== Une façon de produire la [[fusion nucléaire]] est de focaliser des [[laser]]s sur des morceaux d'[[isotope]]s d'hydrogène. Une meilleure compréhension du comportement de l'hydrogène dans des conditions extrêmes pourrait aider à augmenter le rendement énergétique de ce procédé. ====Production d'hydrogène métallique==== Il pourrait être possible de produire des quantités considérables d'hydrogène métallique pour en tirer profit. Comme le [[diamant]] est du [[graphite]] compressé qui ne se décompresse pas, une théorie prévoit l'existence d'une forme d'hydrogène, appelée hydrogène métallique [[Métastabilité|métastable]], qui ne redeviendrait pas à son état d'hydrogène normal lorsque décompressé. Avec la [[limite élastique]] de l'[[aluminium]] et un tiers de sa [[densité]], cette forme d'hydrogène pourrait être utilisée pour fabriquer des [[automobile]]s très légères avec une haute efficacité énergétique. De plus, il pourrait être utilisé lui-même comme [[carburant]]. Assez propre, il n'aurait que de l'eau comme produit de combustion. Il est neuf fois plus dense que l'hydrogène normal et produirait une énergie considérable lorsqu'il reprendrait cette forme. Brûlé plus rapidement, il serait un carburant cinq fois plus efficace que la combinaison [[hydrogène|hydrogène liquide]] et [[oxygène|oxygène liquide]] qu'utilise couramment la [[navette spatiale]]. L'hydrogène métallique produit ne l'a été que trop brièvement pour qu'on puisse déterminer sa métastabilité <ref>[http://www.llnl.gov/tid/lof/documents/pdf/244531.pdf] W. J. Nellis ''Metastable Metallic Hydrogen Glass'' Lawrence Livermore Preprint (1996).</ref>. ====Supraconductivité==== Une théorie veut que l'hydrogène solide soit un [[supraconductivité|supraconducteur]] à des températures aussi hautes que la température normale d'une pièce (290&nbsp;K). Ceci est beaucoup plus élevé que pour tout autre candidat à la supraconductivité.<ref>[http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1968PhRvL..21.1748A&amp;db_key=PHY&amp;data_type=HTML&amp;format= Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?] du [[Physics Abstract Service]]</ref>{{,}}<ref>[http://physicsweb.org/articles/world/14/4/2 New metallic superconductor makes an immediate impact] de ''[[Physics World]]''</ref> Mais il est douteux qu'on puisse en tirer des applications industrielles, la pression nécessaire pour maintenir l'hydrogène sous forme métallique à température ambiante étant très difficile à maintenir, bien plus qu'à basse température. ==Voir aussi== ===Références=== <references/> {{Portail|physique|chimie}} [[Catégorie:Métal]] [[Catégorie:Hydrogène]] <!--Interwiki--> [[de:Metallischer Wasserstoff]] [[en:Metallic hydrogen]] [[id:Hidrogen metalik]] [[nl:Metallisch waterstof]] [[no:Metallisk hydrogen]] [[pl:Metaliczny wodór]] [[pt:Hidrogênio metálico]] [[simple:Metallic hydrogen]] [[sl:Kovinski vodik]] [[sv:Metalliskt väte]]