De façon sérendienne et pour la première fois, une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques du laboratoire national d'accélérateur national du département américain de l'énergie a formé un hydrure d'or binaire solide, un composé fabriqué exclusivement d'atomes d'or et d'hydrogène.
Les chercheurs étudiaient combien de temps il faut des hydrocarbures, des composés en carbone et en hydrogène, pour former des diamants sous une pression et une chaleur extrêmement élevées.
Dans leurs expériences au XFEL européen (laser d'électrons franc-rayons) en Allemagne, l'équipe a étudié l'effet de ces conditions extrêmes dans des échantillons d'hydrocarbures avec un feuille d'or intégrée, qui était destinée à absorber les rayons X et à chauffer les hydrocarbures faiblement absorbants. À leur grande surprise, ils ont non seulement vu la formation de diamants, mais ont également découvert la formation d'hydrure d'or.
« C'était inattendu parce que l'or est généralement chimiquement très ennuyeux et non réactif – c'est pourquoi nous l'utilisons comme absorbeur de rayons X dans ces expériences », a déclaré Mungo Frost, scientifique du personnel de SLAC qui a dirigé l'étude.
« Ces résultats suggèrent qu'il y a potentiellement beaucoup de nouvelle chimie à découvrir dans des conditions extrêmes où les effets de la température et de la pression commencent à rivaliser avec la chimie conventionnelle, et vous pouvez former ces composés exotiques. »
Les résultats, publiés dans Édition internationale d'Angewandte Chemiedonnez un aperçu de la façon dont les règles de chimie changent dans des conditions extrêmes comme celles trouvées à l'intérieur de certaines planètes ou étoiles de fusion à l'hydrogène.
Étudier l'hydrogène dense
Dans leur expérience, les chercheurs ont d'abord pressé leurs échantillons d'hydrocarbures à des pressions supérieures à celles du manteau de la Terre à l'aide d'une cellule d'enclume de diamant. Ensuite, ils ont chauffé les échantillons à plus de 3 500 degrés Fahrenheit en les frappant à plusieurs reprises avec des impulsions de rayons X du XFEL européen.
L'équipe a enregistré et analysé comment les radiographies ont dispersé les échantillons, ce qui leur a permis de résoudre les transformations structurelles à l'intérieur.
Comme prévu, les modèles de diffusion enregistrés ont montré que les atomes de carbone avaient formé une structure de diamant. Mais l'équipe a également vu des signaux inattendus qui étaient dus à des atomes d'hydrogène réagissant avec la feuille d'or pour former l'hydrure d'or.
Dans les conditions extrêmes créées dans l'étude, les chercheurs ont constaté que l'hydrogène était dans un état dense «superonique», où les atomes d'hydrogène coulaient librement à travers le réseau atomique rigide de l'or, augmentant la conductivité de l'hydrure d'or.
L'hydrogène, qui est l'élément le plus léger du tableau périodique, est difficile à étudier avec des rayons X car il ne diffuse que les rayons X faiblement. Ici, cependant, l'hydrogène superionique a interagi avec les atomes d'or beaucoup plus lourds, et l'équipe a pu observer l'impact de l'hydrogène sur la façon dont le réseau d'or a dispersé les rayons X.
« Nous pouvons utiliser le réseau d'or comme témoin pour ce que fait l'hydrogène », a déclaré Mungo.
L'hydrure d'or offre un moyen d'étudier l'hydrogène atomique dense dans des conditions qui pourraient également s'appliquer à d'autres situations qui ne sont pas directement accessibles directement. Par exemple, l'hydrogène dense constitue les intérieurs de certaines planètes, donc l'étudier en laboratoire pourrait nous en apprendre davantage sur ces mondes étrangers.
Il pourrait également fournir de nouvelles perspectives sur les processus de fusion nucléaire à l'intérieur d'étoiles comme notre soleil et aider à développer la technologie pour exploiter l'énergie de fusion ici sur Terre.
Explorer une nouvelle chimie
En plus de ouvrir la voie à des études d'hydrogène dense, la recherche offre également une voie pour explorer une nouvelle chimie. L'or, qui est généralement considéré comme un métal non réactif, s'est avéré former un hydrure stable à une pression et une température extrêmement élevées.
En fait, il ne semble être stable que dans ces conditions extrêmes, comme lorsqu'il se refroidit, l'or et l'hydrogène se séparent. Les simulations ont également montré que plus d'hydrogène pouvait s'adapter dans le réseau doré à une pression plus élevée.
Le cadre de simulation pourrait également être étendu au-delà de l'hydrure d'or.
« Il est important que nous puissions produire et modéliser expérimentalement ces états dans ces conditions extrêmes », a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la division de densité de haute énergie et professeur de science des photons au SLAC et chercheur principal de l'étude.
« Ces outils de simulation pourraient être appliqués pour modéliser d'autres propriétés de matériaux exotiques dans des conditions extrêmes. »
