Los científicos de Harvard lograron obtener hidrógeno metálico

Imagen de yunques de diamantes que comprimen una muestra de hidrógeno molecular. A alta presión, el hidrógeno entra en un estado atómico, como se muestra a la derecha. Fuente: Dias y Silvera, 2017

En 1935, los científicos Eugene Wigner y Bell Huntington predijeron la posibilidad de transferir hidrógeno a un estado metálico bajo la influencia de una presión tremenda: 250 mil atmósferas. Un poco más tarde, este punto de vista fue revisado; los expertos aumentaron la estimación de la presión requerida para la transición de fase. Todo este tiempo, las condiciones de transición se consideraron alcanzables, y los científicos trataron de "tomar el listón" necesario para la transición del hidrógeno a una nueva fase. Por primera vez, intentaron obtener hidrógeno metálico en la década de 1970. Se hicieron intentos repetidos en 1996, 2008 y 2011. Anteriormente se informó que en 1996, científicos de Alemania lograron transferir hidrógeno a un estado metálico por una fracción de microsegundo, aunque no todos están de acuerdo con esto.

En cuanto a la presión necesaria para producir hidrógeno metálico, con el desarrollo de la mecánica cuántica y la física, en general quedó claro que la presión debería ser aproximadamente 20 veces mayor de lo que se pensaba anteriormente, no 25 GPa, sino 400 o incluso 500 GPa. Se cree que grandes cantidades de hidrógeno metálico están presentes en los núcleos de los planetas gigantes: Júpiter, Saturno y grandes planetas extrasolares. Debido a la compresión gravitacional, un núcleo de hidrógeno metálico debe estar debajo de la capa de gas. Está claro que para recibir una presión gigantesca, se necesitan tecnologías y métodos especiales. Resultó lograr lo deseado mediante el uso de dos yunques de diamantes.

La fuerza del yunque se mejoró por pulverización catódica de alúmina, que era impermeable a los átomos de hidrógeno. Una muestra de hidrógeno se comprimió entre los extremos puntiagudos de dos yunques de diamante, y a una presión de 495 GPa, los científicos lograron la transición de la muestra a la fase metálica.


Fuente: Dias y Silvera, 2017

En cualquier caso, la muestra se oscureció primero y luego comenzó a reflejar la luz. A índices de presión relativamente bajos, la muestra era opaca; no conducía corriente. Se repitió el experimento de Isaac Silvera y Ranga Dias. Por primera vez, los científicos lograron transferir hidrógeno a la fase metálica a mediados de 2016. Pero los resultados del experimento necesitaban confirmación, experimento repetido. Como se confirmaron los resultados del experimento inicial, pueden considerarse correctos.

Los científicos han ido al resultado actual durante varios años. A Silver y Diaz les llevó solo tres años alcanzar la presión a la que el hidrógeno se descompone en átomos individuales. La presión en cuestión es de 380 GPa.

Después de este aumento en la presión implicaba la necesidad de fortalecer la fuerza de los yunques de diamantes, que se utilizaron en el experimento. Para hacer esto, comenzaron a rociar la película más delgada de óxido de aluminio. Sin una mayor fuerza, los diamantes, que son los minerales más duros en la Tierra, comienzan a descomponerse cuando la presión se eleva por encima de los 400 GPa.

Los científicos han trabajado mucho en el estudio de los diamantes. Podría haber varias razones para la destrucción, desde defectos en la estructura del cristal hasta la influencia del más comprimido hasta la enorme densidad del hidrógeno. Para resolver el primer problema, los especialistas revisaron cuidadosamente las estructuras cristalinas bajo un microscopio de gran aumento. "Cuando miramos el diamante bajo un microscopio, encontramos defectos que hacen que este mineral sea vulnerable a factores externos", dijo Silvera. El segundo problema se resolvió mediante pulverización, que contrarresta la fuga de átomos y moléculas de hidrógeno.

Todavía es difícil decir qué forma recibió el metal a los británicos: sólido o líquido. Les resulta difícil decirlo, aunque creen que el hidrógeno ha pasado a la fase del metal líquido, ya que esto se predice mediante cálculos. De lo que sí están seguros es que la muestra de hidrógeno después de la compresión se volvió 15 veces más densa que antes del inicio de este procedimiento. La temperatura del hidrógeno, que se colocó en un yunque de diamante, fue de 15K. Después de la transición del elemento a la fase metálica, se calentó a 83 K y conservó sus propiedades metálicas. Los cálculos muestran que el hidrógeno metálico puede ser metaestable, es decir, conservar sus propiedades incluso después de que los factores externos que llevaron a la transición del elemento a la fase metálica se debiliten.

¿Por qué el hombre necesita hidrógeno metálico? Se cree que en este estado exhibe las propiedades de un superconductor de alta temperatura. Además, los compuestos de hidrógeno metálicos metaestables se pueden usar como combustible para cohetes compacto, eficiente y limpio. Entonces, cuando el hidrógeno metálico entra en la fase molecular, se libera aproximadamente 20 veces más energía que cuando se quema un kilogramo de una mezcla de oxígeno e hidrógeno: 216 MJ / kg.

“Para producir hidrógeno metálico, necesitábamos una gran cantidad de energía. Y si vuelves a transferir hidrógeno metálico atómico a un estado molecular, se liberará toda esta energía, de modo que podamos obtener el combustible para cohetes más poderoso del mundo, lo que revolucionará la ciencia de los cohetes ”, dijeron los autores del estudio. En su opinión, el nuevo combustible, si se usa, facilitará el acceso a otros planetas. El tiempo para viajar a ellos se gastará mucho menos que ahora, utilizando tecnología moderna.

DOI: 10.1126 / science.aal1579