Het is allemaal niet zo ingewikkeld. Waterstof is het kleinste element en eigenlijk behoort dat tot de metalen. Het vormt bij voorkeur positieve ionen, maar het was nog nooit gelukt om waterstofmetaal te maken. Dat schijnt nu na tachtig jaar vergeefs proberen gelukt te zijn aan onderzoekers van de Harvard-universiteit in de VS. Collega-onderzoekers zijn niet bepaald razendgeestdriftig.

“Dat artikel had niet mogen verschijnen, niet in Science, in geen enkel blad.” “Ik ben woedend. Dit is het absolute falen van het beoordelingssysteem van wetenschappelijke tijdschriften.” “U wilt een commentaar, maar waarop? Er klopt bijna niks van.” Dat waren zo wat reacties van wetenschappers die het Franse dagblad Le Monde kreeg op de aankondiging uit Amerika dat Harvardonderzoekers waterstofmetaal hadden gemaakt. De Franse krant noemt die prestatie de heilige graal van de natuurkunde.
De reacties kwamen van, achtereenvolgens,  Michail Eremets van het Max-Planck voor scheikunde in Mainz, van Paul Loubeyre van het Franse commissariaat voor atoomenergie en Eugene Gregoryanz van de universiteit van Edinburgh in Schotland, allemaal geleerden die bij extreme drukken werken.

Mikpunt van hun woede is Isaac Silvera van de Harvard-universiteit. Die zegt bereikt te hebben waar andere onderzoekers al jaren naar streven: het omzetten van waterstof in een werkelijk elektrisch geleidend materiaal. Daarvoor zijn extreem hoge drukken nodig, zoiets als de druk waarbij je grafiet kunt samenpersen tot diamant.
Dat er zoiets zou kunnen bestaan als een geleidend waterstofmetaal was al in 1935 voorzien (wat me overigens niet als een erg geniale voorspelling voorkomt). Dat waterstofmetaal zou bij gewone temperatuur vast zijn en supergeleidende eigenschappen hebben, waardoor elektronen ongestoord (zonder weerstand) hun weg kunnen vinden. Zo geconcentreerd zou het waterstofmetaal ook kunnen dienen als brandstof. Voor mij bijt dat elkaar: hoe voorkom je dat de supergeleider een gigantische bron van energie wordt?
Als vloeistof zou het waterstofmetaal supervloeibaar zijn, geen viscositeit vertonen. Als die mooie dromen niet zouden mogen uitkomen dan valt er met waterstofmetaal op kwantummechanisch vlak nog wel het een en ander te bestuderen aan dit bijzondere metaal, als ekwivalent van uiterst koude atomen.

Titanenstrijd

Er schijnt dus in de natuurkunde een titanenstrijd geleverd te worden, die geheel aan mij is voorbijgegaan, wie er als eerste waterstofmetaal weet te maken. Loubeyre: “Al sedert de jaren 70 worden er voortdurend pogingen gedaan.” Zo zou in 2002 een groep onderzoekers zwart waterstof hebben gemaakt, een voorstadium van waterstofmetaal.

De techniek om waterstof tot metaal te transformeren is in principe simpel. Je perst waterstof samen tussen twee minuscule diamantstipjes tot drukken die die in de kern van de aarde overtreffen, zo’n 3 miljoen atmosfeer (300 GPa). “Dit is een voortzetting van de aankondiging die dezelfde auteur al in de jaren 90 deed, maar dan bij een druk van maar 150 GPa”, zegt Russell Hemley van de George Washington-universiteit, nog zo’n ‘extremist’.
In 2011 kondigde Michail Eremets aan geleidend waterstof te hebben waargenomen. Dat leverde hem kritiek op van, onder meer, Isaac Silvera. Eremets: “We hebben nooit gezegd dat het om de veelgezochte metaaltoestand zou gaan.” Gregoryanz: “We beconcurreren elkaar, maar als de groep van Paul Loubeyre iets publiceert dan kunnen we het er ergens mee oneens zijn, maar niet, bijvoorbeeld, over de toegepaste druk. Ik weet dat ze goed werk leveren.” Zo denkt hij duidelijk niet over zijn Amerikaanse collega.

Druk

De toegepaste druk is een van de belangrijkste argumenten van de kritische wetenschappers om het werk van Silvera in twijfel te trekken. Niemand heeft meer dan 350 GPa kunnen bereiken, maar Isaac Silvera en Ranga Dias zouden 495 GPa hebben gehaald met diamanten ’tipjes’. Daar gelooft het kritische drietal niet in. Die druk wordt gemeten aan de hand van het effect dat de samengedrukte diamantjes op infraroodstraling hebben. Die meetwaarde zou een misser kunnen zijn.
Volgens Gregoryanz is de kromme die de drukontwikkeling aangeeft in relatie tot de toegepaste kracht niet in overeenstemming met voorgaande publicaties. Die meetwaarde van 495 GPa zou het resultaat van een niet of slecht gerechtvaardigde extrapolatie zijn.
Uiteraard is Silvera het daar niet mee eens. “We hebben zeer positieve reacties gehad. Anderen zijn skeptisch. Ze geloven niet dat we die druk hebben gerealiseerd, maar niemand heeft precies zo gewerkt als wij.” De diamantjes zijn met uiterste precisie gemaakt en zijn overtrokken met een laagje om te voorkomen dat het kostbare waterstof weglekt.
Loubeyre geeft als commentaar dat alle groepen met dot soort problemen worden opgezadeld, waarvan sommige zelfs als onoplosbaar worden gezien. Recentelijk heeft zijn groep de vorm van de diamantjes aangepast om drukken te kunnen realiseren van 600 tot 700 GPa.

Zwart

Een ander belangrijk kritiekpunt is het bewijs dat waterstof daadwerkelijk in die nieuwe toestand is terechtgekomen. Bij de aanvang van het proces is waterstof doorzichtig, maar als de druk toeneemt wordt het eerst zwart en vervolgens glimt waterstof zoals metalen dat vaak doen. Dat zouden de Amerikanen daadwerkelijk hebben gemeten. Volgens Loubeyre zou de coating van de diamant wel eens de oorzaak van de weerspiegeling kunnen zijn. Eremets zou het overtuigender hebben gevonden als er directe elektrische metingen waren gedaan. “Reflectie is geen afdoende bewijs.”
Hemley is wat gematigder in zijn kritiek, maar ook hij vindt dat het onderzoek te veel is gebaseerd op visuele waarnemingen en beperkte metingen op de diamantpunten en de coating daarvan. “Het optisch gedrag van de materialen bij dergelijke drukken zijn niet bekend.”

Silvera bestrijdt die kritiek. Voor een verificatie zouden ze ruim de tijd genomen hebben. “Op zijn minst een jaar. We hebben een doorbraak bereikt en dat willen we melden om de wetenschap vooruit te helpen.”

Een punt dat een gemiddelde onderzoeker nog eens extra argwanend maakt is dat het artikel wel erg kort is, slechts drie pagina’s met twee grafieken met weinig meetpunten en drie foto’s genomen met een mobiele telefoon. Dat is natuurlijk allemaal geen hard bewijs of zelfs maar een aanwijzing dat Silvera de boel flest. Er zijn briljante artikelen geschreven die maar een paar pagina’s lang zijn (ik heb even geen voorbeeld bij de hand).

Wie er ook twijfelt over het al of niet bereiken van de metaaltoestand van waterstof, de Harvard-universiteit in ieder geval niet. “Het is werkelijkheid geworden!” “Dat is slecht voor de wetenschappelijke gemeenschap”, zegt Loubeyre. “Dit lijkt op theater.”

Bron: Le Monde