De l’hydrogène métallique

L’hydrogène, on connaît et depuis longtemps ! C’est le chimiste Lavoisier qui a ainsi nommé ce gaz (H₂) découvert en 1766 par Cavendish. Ce dernier l’avait appelé «air inflammable» tant il est vrai qu’il s’enflamme et explose au contact de l’oxygène – souvenons-nous de la catastrophe du dirigeable Hindenburg en 1937 -, mais Lavoisier a préféré le nom plus sympathique (et plus vrai) de gaz qui «engendre l’eau». L’élément hydrogène (H) est l’élément le plus abondant de tout l’univers visible (environ 75% en masse et 92% en nombre d’atomes), présent dans les étoiles et les planètes gazeuses mais aussi les nébuleuses et le gaz interstellaire. Les étoiles brillent parce qu’elles transforment des quantités folles d’hydrogène en hélium: environ 600 millions de tonnes par seconde en ce qui concerne le Soleil. Six cents millions de tonnes d’hydrogène qui ne deviennent que 596 millions de tonnes d’hélium, les 4 tonnes manquantes étant converties en énergie, source de vie sur Terre. Mieux encore, c’est l’hydrogène qui, en s’alliant avec l’oxygène, forme l’eau (la vie encore…) et avec le carbone ou l’azote, les composés du vivant (la vie toujours…). Bref sans ce gaz, le plus léger de tous, nous ne serions pas.

Son importance et son abondance en ont évidemment fait un objet d’études multiples, particulièrement en chimie. Pour les physiciens, c’est un peu la quintessence de la simplification. Sous son isotope (forme) le plus répandu, son atome n’est composé que d’un proton et un électron: 2 particules seulement, du pain béni pour la résolution des équations de mécanique quantique. Grâce à lui, on a pu expliquer bien des mécanismes atomiques.

Pourtant, un petit détail vient toujours troubler ce portrait idyllique: sa position dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Numéro 1 du tableau, il est placé en haut de la première colonne, à gauche. Donc dans la colonne des… métaux alcalins. Or, il est tout sauf un métal: qu’il soit sous forme gazeuse, liquide ou solide, du moins dans des conditions de pression «normales», il ne conduit pas l’électricité, il est un isolant. Pourquoi alors l’avoir situé là dans le tableau périodique ? Sans doute parce qu’il partage certaines propriétés chimiques avec les autres éléments de cette colonne. Peut-être aussi parce que ces autres éléments sont des métaux dits mous, qui ont comme particularité de provoquer un dégagement d’hydrogène lorsqu’on les mélange à l’eau. Mais c’est aussi parce qu’on ne sait trop où le placer. Certaines versions du tableau isolent d’ailleurs l’hydrogène pour en faire un élément hors catégorie.

Et si, finalement, cette place parmi les métaux n’était pas si étrange ? Une interrogation qui se pose dès 1935 lorsque Eugène Wigner (prix Nobel) déduit de la résolution des équations d’onde de Schrödinger qu’à des pressions élevées (mais sans précision sur ce caractère élevé), le gaz d’hydrogène, isolant, allait se comporter soudainement comme un cristal métallique conducteur. Depuis lors, la course à l’obtention du métal hydrogène est lancée. Avec, à plusieurs reprises, des espoirs de réussite jamais totalement confirmés. En fait, on s’est vite rendu compte que pour atteindre ce phénomène, il faudrait des pressions très élevées, semblables à celles qui règnent au centre de la Terre et donc, pendant longtemps, inaccessibles en laboratoire. Mais ce qui a surtout relancé l’intérêt pour ce processus, c’est la découverte (théorique bien sûr), fin des années 1960, d’une propriété alléchante: cet hydrogène métallique serait non seulement conducteur mais même supraconducteur; et il le resterait à des températures et pressions ambiantes ! Autrement dit, il serait métastable. L’exemple bien connu de cette propriété est évidemment celui du diamant, qui n’est que du graphite (carbone) porté à très hautes températures et pressions. Pourtant, lorsque celles-ci redeviennent ambiantes, heureusement pour les bijoutiers, le diamant ne redevient pas du graphite, il reste un diamant pour des milliards d’années. Il en irait de même pour l’hydrogène. De quoi relancer les tentatives pour obtenir de l’hydrogène métallique.