Par hasard, et pour la première fois, des scientifiques ont formé du hydrure d’or binaire solide, un composé composé exclusivement d’atomes d’or et d’hydrogène. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à l’étude de matériaux dans des conditions extrêmes telles que celles qui règnent à l’intérieur de certaines planètes et étoiles en cours de fusion nucléaire. Les chercheurs, dirigés par le SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis, étudiaient le temps nécessaire aux hydrocarbures, composés de carbone et d’hydrogène, pour former des diamants sous une pression et une chaleur extrêmement élevées. Lors de leurs expériences menées au XFEL (laser à électrons libres à rayons X) européen en Allemagne, l’équipe a étudié l’effet de ces conditions extrêmes sur des échantillons d’hydrocarbures incrustés d’une feuille d’or, conçue pour absorber les rayons X et chauffer les hydrocarbures à faible absorption. À leur grande surprise, ils ont non seulement observé la formation de diamants, mais aussi celle d’hydrure d’or.
L’or révèle son secret : une forme inédite d’hydrure créée sous pression extrême
« C’était inattendu, car l’or est généralement très ennuyeux et peu réactif sur le plan chimique ; c’est pourquoi nous l’avons utilisé comme absorbant de rayons X dans ces expériences », a déclaré dans un communiqué Mungo Frost, scientifique au SLAC qui a dirigé l’étude.
Ces résultats suggèrent qu’il est possible de découvrir une grande quantité de nouvelles substances chimiques dans des conditions extrêmes, où les effets de la température et de la pression commencent à rivaliser avec la chimie conventionnelle, permettant ainsi la formation de ces composés exotiques.
Les résultats, publiés dans Angewandte Chemie International Edition, offrent un aperçu de la manière dont les règles de la chimie changent dans des conditions extrêmes, telles que celles qui règnent à l’intérieur de certaines planètes ou étoiles en fusion d’hydrogène.
Dans leur expérience, les chercheurs ont d’abord soumis les échantillons d’hydrocarbures à des pressions supérieures à celles du manteau terrestre à l’aide d’une cellule à enclume de diamant. Ils ont ensuite chauffé les échantillons à plus de 1 770 °C en les frappant à plusieurs reprises avec des impulsions de rayons X provenant du XFEL européen.
L’équipe a enregistré et analysé la dispersion des rayons X des échantillons, ce qui lui a permis de déterminer les transformations structurelles internes.
Comme prévu, les modèles de dispersion enregistrés ont montré que les atomes de carbone avaient formé une structure diamant. Cependant, l’équipe a également observé des signes inattendus dus à la réaction des atomes d’hydrogène avec la feuille d’or pour former de l’hydrure d’or. Dans les conditions extrêmes créées dans le cadre de l’étude, les chercheurs ont découvert que l’hydrogène se trouvait dans un état dense, « superionique », où les atomes d’hydrogène circulaient librement à travers le réseau atomique rigide de l’or, augmentant ainsi la conductivité de l’hydrure d’or.
L’hydrogène, l’élément le plus léger du tableau périodique, est difficile à étudier aux rayons X car il disperse faiblement les rayons X. Cependant, dans ce cas, 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 de l’or dispersait les rayons X.
« Nous pouvons utiliser le réseau de l’or comme témoin de ce que fait l’hydrogène », a déclaré M. 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 inaccessibles directement par des expériences. Par exemple, l’hydrogène dense compose l’intérieur de certaines planètes, et son étude en laboratoire pourrait nous en apprendre davantage sur ces mondes extraterrestres.
Cela pourrait également fournir de nouvelles connaissances sur les processus de fusion nucléaire dans des étoiles comme notre Soleil et contribuer au développement de technologies permettant d’exploiter l’énergie de fusion ici sur Terre.
Outre le fait de jeter les bases d’études sur l’hydrogène dense, cette recherche offre également un moyen d’explorer de nouvelles propriétés chimiques. Il a été découvert que l’or, généralement considéré comme un métal non réactif, forme un hydrure stable à des pressions et des températures extrêmement élevées.
Ils se séparent en se refroidissant
En fait, il semble n’être stable que dans ces conditions extrêmes, car lorsqu’ils se refroidissent, l’or et l’hydrogène se séparent. Les simulations ont également montré que plus la pression était élevée, plus le réseau d’or pouvait contenir d’hydrogène.
Le cadre de simulation pourrait également s’étendre 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 Haute densité énergétique et professeur de science photonique au SLAC, et chercheur principal de l’étude. « Ces outils de simulation pourraient être utilisés pour modéliser d’autres propriétés de matériaux exotiques dans des conditions extrêmes. »
