Une photo de Saturne et de ses lunes prise par une sonde Voyager. © Nasa

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La chimie de l'hélium, inconnue sur Terre, pourrait exister dans les planètes géantes

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Bien que très répandus à l'échelle du cosmos, les atomes d'hélium ne semblent pas capables d'établir des liaisons chimiques dans des conditions normales sur Terre. Mais comme vient de le montrer une équipe internationale de physiciens, des cristaux de sodium et d'hélium, dont l'existence avait été prédite sur ordinateur, peuvent effectivement se former aux pressions qui règnent à l'intérieur des planètes géantes.

Depuis quelques années, le nom du physicien, chimiste et cristallographe russe Artem Oganov (professeur à l'université Stony Brook et au MIT russe, le Skolkovo Institute of Science and Technology) revient assez souvent sur le devant de la scène de la physico-chimie des matériaux à hautes pressions. Il s'inscrit sans doute dans la longue tradition de l'école de physique russe en physique de la matière condensée, et on lui doit plusieurs découvertes remarquables dans les domaines de la supraconductivité, des métamatériaux, du graphène ou de certaines quasi-particules. Des découvertes auxquelles les noms de Lev Landau, Victor Veselago, Yakov Frenkel, Andre Geim et Konstantin Novoselov sont associés.

Nous ne sommes donc pas surpris de la publication dans le journal Nature Chemistry d'un article où Artem Oganov et ses collègues font état de leurs travaux sur des cristaux à base d'hélium et de sodium, d'abord prédits théoriquement puis synthétisés et observés à hautes pressions dans une cellule à enclume de diamant. La découverte est d'importance car, selon les règles de la chimie traditionnelle, l'hélium est le gaz rare par excellence. Il ne devrait donc pas posséder de véritable chimie, car on ne devrait pas pouvoir le trouver dans des molécules ou encore associé par liaison chimique dans des cristaux.

Une présentation des travaux d'Artem Oganov. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Stony Brook University

Mais ces règles peuvent changer à hautes pressions comme l'a expliqué une fois Artem Oganov :  « Les règles de la chimie ne sont pas des théorèmes mathématiques intangibles. Les lois de la chimie peuvent être contournées, car "impossible" signifie en réalité pour elles "difficilement réalisable". Vous avez juste besoin de trouver les conditions pour faire pencher la balance des énergies d'un côté, et ces règles ne tiennent plus ».

Il existe donc bien une chimie de l'hélium qui pourrait bien avoir de l'importance dans la compréhension des planètes géantes comme Jupiter ou Saturne, constituées essentiellement d'hydrogène et d'hélium, et où des pressions dépassant le million d'atmosphères existent.

Des cristaux ioniques d'hélium et de sodium

Dans de précédents travaux, Artem Oganov et ses collègues s'étaient déjà intéressés à la chimie exotique du chlorure de sodium et des matériaux carbonés dans les géantes gazeuses. Ils s'inscrivaient dans un thème de recherche plus général, celui de la prédiction ab initio de nouveaux matériaux à l'aide de simulations numériques sur ordinateur. Celles-ci sont basées sur un algorithme nommé Uspex (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). Aujourd'hui, Oganov et son collègue Xiao Dong annoncent donc avec d'autres chercheurs avoir démontré l'existence de deux composés prédits à l'aide d'Uspex, à savoir NaHe et NaHe O. Les expériences qui le prouvent ont notamment été menées par Alexander F. Goncharov, Elissaios Stavrou et Sergey Lobanov du célèbre Carnegie Institution for Science à Washington.

Les deux nouveaux matériaux ont été synthétisés à des pressions de l'ordre de 0,1 à 1 million d'atmosphères. Il s'agit dans les deux cas de cristaux ioniques analogues à ceux de structure cubique qui forment la fluorine. Les atomes de sodium y jouent le rôle de cation chargé positivement mais ils sont liés électrostatiquement à des paires d'électrons fortement localisés dans le cas de NaHe et à O²⁻ dans le cas de NaHe O. Ces cristaux se comportent donc comme des isolants, car les électrons n'y sont pas libres de se déplacer.

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