Durante algún tiempo, los científicos han estado fascinados por el concepto de hidrógeno metálico. Se cree que tal elemento existe de forma natural cuando el hidrógeno se somete a presiones extremas (como en el interior de gigantes gaseosos como Júpiter). Pero como material sintético, tendría un sinfín de aplicaciones, ya que se cree que tiene propiedades superconductoras a temperatura ambiente y la capacidad de retener su solidez una vez que ha vuelto a la presión normal.
Por esta razón, los físicos de la materia condensada han estado intentando crear hidrógeno metálico durante décadas. Y según un estudio reciente publicado en Revista de ciencia ,un par de físicos del Laboratorio Lyman de Física de la Universidad de Harvard afirman haber hecho precisamente esto. De ser cierto, este logro podría marcar el comienzo de una nueva era de supermateriales y física de alta presión.
La existencia de hidrógeno metálico fue predicho por primera vez en 1935 Los físicos de Princeton Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington. Durante años, Isaac Silvera (el profesor Thomas D. Cabot en la Universidad de Harvard) y Ranga Dias, un becario de posdoctorado, han tratado de crearlo. Afirman haber tenido éxito, utilizando un proceso que describieron en su estudio recientemente publicado, ' Observación de la transición de Wigner-Huntington al hidrógeno metálico “.
Este corte ilustra un modelo del interior de Júpiter, con un núcleo rocoso cubierto por una capa profunda de hidrógeno metálico líquido. Crédito: Kelvinsong / Wikimedia Commons
Tal hazaña, que equivale a crear el corazón de Júpiter entre dos diamantes, no tiene paralelo en la historia de la ciencia. Como Silvera describió el logro en una reciente Harvard presione soltar :
“Este es el Santo Grial de la física de alta presión. Es la primera muestra de hidrógeno metálico en la Tierra, así que cuando lo miras, estás viendo algo que nunca ha existido antes '.
En el pasado, los científicos han logrado crear hidrógeno líquido en condiciones de alta temperatura aumentando las presiones a las que estaba expuesto (en lugar de enfriarlo criogénicamente). Pero el hidrógeno metálico ha seguido eludiendo a los científicos experimentales, a pesar de las repetidas (y no probadas) afirmaciones en el pasado de haber logrado la síntesis. La razón de esto es que tales experimentos son extremadamente temperamentales.
Por ejemplo, el método del yunque de diamante (del que Silvera y Dias utilizaron una variación) consiste en mantener una muestra de hidrógeno en su lugar con una junta de metal delgada y luego comprimirla entre dos mordazas con punta de diamante. Esto somete la muestra a una presión extrema y se utiliza un sensor láser para monitorear cualquier cambio. En el pasado, esto ha resultado problemático ya que la presión puede hacer que el hidrógeno llene las imperfecciones de los diamantes y las agriete.
Si bien los recubrimientos protectores pueden garantizar que los diamantes no se agrieten, los materiales adicionales dificultan la obtención de lecturas precisas a partir de mediciones láser. Es más, los científicos que intentan experimentar con hidrógeno han descubierto que es necesario que intervengan presiones de ~ 400 gigapascales (GPa) o más, lo que hace que las muestras de hidrógeno se vuelvan negras, lo que evita que la luz láser pueda penetrarlas.
Imágenes microscópicas de las etapas en la creación de hidrógeno metálico: hidrógeno molecular transparente (izquierda) a aproximadamente 200 GPa, que se convierte en hidrógeno molecular negro, y finalmente hidrógeno metálico atómico reflectante a 495 GPa. Crédito: Isaac Silvera
Por el bien de su experimento, los profesores Ranga Dias e Isaac Silvera adoptaron un enfoque diferente. Para empezar, utilizaron dos pequeñas piezas de diamante sintético pulido en lugar de naturales. Luego utilizaron un proceso de grabado de iones reactivos para afeitar sus superficies, luego las recubrieron con una capa delgada de alúmina para evitar que el hidrógeno se difunda en la estructura cristalina.
También simplificaron el experimento al eliminar la necesidad de un monitoreo láser de alta intensidad, confiando en su lugar en la espectroscopía Raman. Cuando alcanzaron una presión de 495 GPa (mayor que la del centro de la Tierra), su muestra se volvió metálica y cambió de negro a rojo brillante. Esto se reveló midiendo el espectro de la muestra, que mostró que se había vuelto muy reflectante (lo que se espera de una muestra de metal).
Como explicó Silvera, estos resultados experimentales (si se verifican) podrían conducir a todo tipo de posibilidades:
“Una predicción que es muy importante es que se prevé que el hidrógeno metálico sea metaestable. Eso significa que si quitas la presión, permanecerá metálico, similar a la forma en que se forman los diamantes a partir del grafito bajo calor y presión intensos, pero seguirán siendo diamantes cuando se eliminen esa presión y calor. Hasta el 15 por ciento de la energía se pierde por disipación durante la transmisión, por lo que si pudiera hacer cables con este material y usarlos en la red eléctrica, podría cambiar esa historia '.
En el CERN se están probando enlaces superconductores desarrollados para transportar corrientes de hasta 20.000 amperios. Crédito: CERN
En resumen, el hidrógeno metálico podría acelerar la revolución de la electrónica que ya está en marcha, gracias al descubrimiento de materiales como el grafeno. Dado que también se cree que el hidrógeno metálico es un superconductor a temperatura ambiente, su producción sintética tendría inmensas implicaciones para la investigación y la física de alta energía, como la que está llevando a cabo el CERN.
Más allá de eso, también permitiría investigar el interior de los gigantes del gas. Durante algún tiempo, los científicos han sospechado que una capa de hidrógeno metálico puede rodear los núcleos de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno. Naturalmente, las condiciones de temperatura y presión en el interior de estos planetas hacen imposible el estudio directo. Pero al poder producir hidrógeno metálico de forma sintética, los científicos podrían realizar experimentos para ver cómo se comporta.
Naturalmente, la noticia de este experimento y sus resultados es recibida con escepticismo. Por ejemplo, los críticos se preguntan si la lectura de presión de 495 GPa fue de hecho precisa, ya que Silvera y Dias solo la obtuvieron como medida final y se vieron obligados a confiar en estimaciones anteriores. En segundo lugar, hay quienes cuestionan si la mancha rojiza que resultó es de hecho hidrógeno y algún material que provino de la junta o del recubrimiento de diamante durante el proceso.
Sin embargo, Silvera y Dias confían en sus resultados y creen que se pueden replicar (lo que haría mucho para silenciar las dudas sobre sus resultados). Por un lado, enfatizan que una medición comparativa de las propiedades reflectantes del punto de hidrógeno y la junta circundante sugiere que el hidrógeno es puro. También afirman que sus medidas de presión fueron calibradas y verificadas correctamente.
En el futuro, tienen la intención de obtener lecturas espectrográficas adicionales de la muestra para confirmar que en realidad es metálica. Una vez hecho esto, planean probar la muestra para ver si es realmente metaestable, lo que consistirá en abrir el tornillo de banco y ver si permanece en un estado sólido. Dadas las implicaciones del éxito, hay muchos a los que les gustaría que su experimento se confirmara.
Asegúrese de ver este video producido por la Universidad de Harvard que habla sobre el experimento:
Otras lecturas: Revista de ciencia , Harvard Gazette