Quand l'hydrogène entraîne la glace dans une danse quantique

Les hydrates d’hydrogène sont des matériaux cristallins solides, semblables à de la glace, qui piègent des molécules d’hydrogène au sein d’un réseau de molécules d’eau. Il s’agit d’une méthode prometteuse, sûre et respectueuse de l’environnement pour le stockage d’hydrogène à haute densité et à grande échelle, mais elle nécessite généralement des pressions élevées (supérieures à 300 MPa) ou des températures basses (< 140 K) pour rester stable. On pense que ces composés se forment au plus profond des planètes géantes, où l’eau et l’hydrogène sont soumis à des pressions écrasantes.

Une forme dense d’hydrate d’hydrogène, connue sous le nom de « phase C2 », contient deux réseaux cristallins identiques entrelacés, disposés selon une structure cubique simple : l’un constitué de molécules d’eau et l’autre entièrement composé de molécules d’hydrogène, toutes extrêmement rapprochées les unes des autres.

Dans ces conditions, les effets quantiques prennent de l’importance : les molécules d’hydrogène peuvent tourner comme des rotors quantiques presque libres, mais à mesure que la pression augmente, la proximité des molécules d’eau commence à restreindre cette liberté. En conséquence, les molécules d’hydrogène et le réseau cristallin d’eau environnant commencent à réagir ensemble comme un système intriqué.

Des études antérieures ont détecté des changements structurels dans la phase C2, mais la relation entre les réarrangements du réseau cristallin d’eau et l’ordre des molécules d’hydrogène piégées reste mal comprise. Sans cette compréhension, il est difficile d’expliquer pleinement comment les effets quantiques apparaissent dans l’hydrogène confiné ou de modéliser avec précision le comportement des matériaux riches en hydrogène dans les planètes géantes et d’autres environnements extrêmes.

Une équipe dirigée par Livia E. Bove à l’EPFL a désormais cartographié la manière dont la pression et la température induisent des changements structurels et d’orientation dans l’hydrate d’hydrogène en phase C2. À l’aide d’expériences complexes à haute pression et de simulations quantiques, ils montrent que les molécules d’hydrogène et le réseau cristallin subissent une transformation en deux étapes et évoluent ensemble comme un système quantique couplé.

L’étude est publiée dans PNAS.

L’équipe a comprimé de minuscules échantillons entre deux diamants pour créer des pressions extrêmement élevées. Elle a ensuite utilisé la lumière laser pour étudier la façon dont les molécules d’hydrogène vibrent et tournent, tandis que des faisceaux intenses de rayons X synchrotron ont révélé de subtils changements dans la structure cristalline.

Elle a également réalisé des simulations informatiques avancées basées sur la physique quantique pour modéliser le comportement des atomes sous pression. Ces calculs leur ont permis de suivre la façon dont les niveaux d’énergie des molécules d’hydrogène se divisent et dont leur orientation change à mesure que le matériau est comprimé.

L'étude a montré qu'à des pressions plus faibles et des températures plus élevées, les molécules d'hydrogène forment une « phase plastique quantique » : elles occupent des sites fixes du réseau cristallin mais tournent presque librement. À mesure que la pression augmente ou que la température baisse, cette liberté diminue. À environ 26 gigapascals à température ambiante, les liaisons hydrogène dans le réseau cristallin de l'eau deviennent symétriques. Cette symétrisation des protons rigidifie la structure et réduit sa compressibilité.

En conséquence, lorsqu’une compression supplémentaire est appliquée, les molécules d’hydrogène s’alignent dans la même direction pour réduire le volume, ce qui fait changer de forme au cristal d’hydrate d’hydrogène. Entre 27 et 30 gigapascals, leur mouvement passe d’une rotation libre à un balancement restreint. Dans l’hydrogène pur, ce même changement nécessite une pression bien plus élevée. À mesure que cela se produit, les états énergétiques autorisés des molécules se séparent davantage, montrant que leur mouvement devient plus contraint.

Les résultats montrent que l'hydrate d'hydrogène verrouille ses molécules dans des états ordonnés à des pressions bien plus faibles que l'hydrogène pur. Cela fait de ce matériau un système modèle important pour étudier le comportement des atomes légers dans des conditions extrêmes. Au-delà de la physique fondamentale, ces découvertes aident les scientifiques à comprendre les matériaux riches en hydrogène présents à l'intérieur des planètes géantes et pourraient orienter les futures recherches sur le stockage de l'hydrogène et les matériaux quantiques.

Autres contributeurs

• Sapienza Università di Roma
• Sorbonne Université
• Institut Laue-Langevin