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Hidrógeno metálico

El hidrógeno metálico es una fase del hidrógeno en la que se comporta como un conductor eléctrico . Esta fase fue predicha en 1935 sobre bases teóricas por Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington . [1]

A altas presiones y temperaturas, el hidrógeno metálico puede existir como un líquido parcial en lugar de un sólido , y los investigadores creen que podría estar presente en grandes cantidades en los interiores calientes y comprimidos gravitacionalmente de Júpiter y Saturno , así como en algunos exoplanetas . [2]

Predicciones teóricas

Diagrama de Júpiter que muestra un modelo del interior del planeta, con un núcleo rocoso cubierto por una capa profunda de hidrógeno metálico líquido (mostrado en magenta) y una capa exterior predominantemente de hidrógeno molecular . La verdadera composición interior de Júpiter es incierta. Por ejemplo, el núcleo puede haberse encogido a medida que las corrientes de convección de hidrógeno metálico líquido caliente se mezclaron con el núcleo fundido y llevaron su contenido a niveles superiores en el interior planetario. Además, no hay un límite físico claro entre las capas de hidrógeno: al aumentar la profundidad, el gas aumenta suavemente en temperatura y densidad, hasta convertirse en líquido. Las características se muestran a escala, excepto las auroras y las órbitas de las lunas galileanas .

Hidrógeno bajo presión

Aunque a menudo se coloca en la parte superior de la columna de metales alcalinos en la tabla periódica , el hidrógeno, en condiciones normales, no exhibe las propiedades de un metal alcalino. En cambio, forma moléculas diatómicas de H2 , similares a los halógenos y algunos no metales en el segundo período de la tabla periódica, como el nitrógeno y el oxígeno . El hidrógeno diatómico es un gas que, a presión atmosférica , se licúa y solidifica solo a temperaturas muy bajas (20  K y 14 K respectivamente).

En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que bajo una inmensa presión de alrededor de 25 GPa (250.000 atm; 3.600.000 psi), el hidrógeno exhibiría propiedades metálicas : en lugar de moléculas discretas de H2 (que consisten en dos electrones unidos entre dos protones), se formaría una fase en masa con una red sólida de protones y los electrones deslocalizados en toda su extensión. [1] Desde entonces, la producción de hidrógeno metálico en el laboratorio ha sido descrita como "el santo grial de la física de alta presión". [3]

La predicción inicial sobre la cantidad de presión necesaria resultó ser demasiado baja. [4] Desde el primer trabajo de Wigner y Huntington, los cálculos teóricos más modernos apuntan a presiones de metalización más altas pero potencialmente alcanzables de alrededor de 400 GPa (3.900.000 atm; 58.000.000 psi). [5] [6]

Hidrógeno metálico líquido

El helio-4 es un líquido a presión normal cerca del cero absoluto , una consecuencia de su alta energía de punto cero (ZPE). La ZPE de los protones en un estado denso también es alta, [7] y se espera una disminución en la energía de ordenamiento (en relación con la ZPE) a altas presiones. Neil Ashcroft y otros han presentado argumentos de que existe un punto de fusión máximo en el hidrógeno comprimido , pero también de que podría haber un rango de densidades, a presiones de alrededor de 400 GPa, donde el hidrógeno sería un metal líquido, incluso a bajas temperaturas. [8] [9]

Geng predijo que la ZPE de los protones de hecho reduce la temperatura de fusión del hidrógeno a un mínimo de 200 a 250 K (−73 a −23 °C) a presiones de 500–1.500 GPa (4.900.000–14.800.000 atm; 73.000.000–218.000.000 psi). [10] [11]

Dentro de esta región plana podría haber una mesofase elemental intermedia entre el estado líquido y sólido, que podría estabilizarse metaestablemente hasta baja temperatura y entrar en un estado supersólido . [12]

Superconductividad

En 1968, Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico podría ser un superconductor hasta la temperatura ambiente (290 K o 17 °C). Esta hipótesis se basa en un fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y las vibraciones reticulares . [13]

Como propulsor de cohetes

El hidrógeno metálico metaestable puede tener potencial como propulsor de cohetes de alta eficiencia; la forma metálica se almacenaría, y la energía de su descompresión y conversión a la forma gaseosa diatómica cuando se libera a través de una boquilla se usaría para generar empuje, con un impulso específico teórico de hasta 1700 segundos (como referencia, los propulsores químicos para cohetes más eficientes actuales tienen una I sp menor a 500 s [14] ), aunque puede que no exista una forma metaestable adecuada para la producción en masa y el almacenamiento convencional de alto volumen. [15] [16] Otro problema importante es el calor de la reacción, que a más de 6000 K es demasiado alto para que se use cualquier material de motor conocido. Esto requeriría diluir el hidrógeno metálico con agua o hidrógeno líquido, una mezcla que aún proporcionaría un aumento significativo del rendimiento de los propulsores actuales. [14]

Posibilidad de nuevos tipos de fluidos cuánticos

Los superestados de la materia que se conocen actualmente son los superconductores , los líquidos y gases superfluidos y los supersólidos . Egor Babaev predijo que si el hidrógeno y el deuterio tienen estados metálicos líquidos, podrían tener estados ordenados cuánticamente que no pueden clasificarse como superconductores o superfluidos en el sentido habitual. En cambio, podrían representar dos posibles nuevos tipos de fluidos cuánticos : superfluidos superconductores y superfluidos metálicos . Se predijo que dichos fluidos tendrían reacciones altamente inusuales a los campos magnéticos externos y rotaciones, lo que podría proporcionar un medio para la verificación experimental de las predicciones de Babaev. También se ha sugerido que, bajo la influencia de un campo magnético, el hidrógeno podría exhibir transiciones de fase de superconductividad a superfluidez y viceversa. [17] [18] [19]

La aleación de litio reduce la presión necesaria

En 2009, Zurek et al. predijeron que la aleación LiH 6 sería un metal estable a solo una cuarta parte de la presión requerida para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares deberían mantenerse para aleaciones de tipo LiH n y posiblemente "otros sistemas alcalinos de alto hidruro ", es decir, aleaciones de tipo XH n , donde X es un metal alcalino . [20] Esto se verificó más tarde en AcH 8 y LaH 10 con T c acercándose a 270 K [21], lo que llevó a la especulación de que otros compuestos pueden incluso ser estables a presiones de meros MPa con superconductividad a temperatura ambiente.

Persecución experimental

Compresión por ondas de choque, 1996

En marzo de 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó que habían producido fortuitamente el primer hidrógeno metálico identificable [22] durante aproximadamente un microsegundo a temperaturas de miles de kelvins , presiones de más de 100 GPa (1.000.000 atm; 15.000.000 psi) y densidades de aproximadamente0,6 g/cm 3 . [23] El equipo no esperaba producir hidrógeno metálico, ya que no estaba utilizando hidrógeno sólido , que se pensaba que era necesario, y estaba trabajando a temperaturas superiores a las especificadas por la teoría de la metalización. Estudios anteriores en los que se comprimió hidrógeno sólido dentro de yunques de diamante a presiones de hasta 250 GPa (2.500.000 atm; 37.000.000 psi), no confirmaron una metalización detectable. El equipo había buscado simplemente medir los cambios de conductividad eléctrica menos extremos que esperaban. Los investigadores utilizaron un cañón de gas ligero de la década de 1960 , originalmente empleado en estudios de misiles guiados , para disparar una placa impactadora en un recipiente sellado que contenía una muestra de medio milímetro de espesor de hidrógeno líquido . El hidrógeno líquido estaba en contacto con cables que conducían a un dispositivo que medía la resistencia eléctrica. Los científicos descubrieron que, a medida que la presión aumentaba a 140 GPa (1.400.000 atm; 21.000.000 psi), la brecha de banda de energía electrónica , una medida de resistencia eléctrica , caía casi a cero. La brecha de banda del hidrógeno en su estado no comprimido es de aproximadamente15  eV , lo que lo convierte en un aislante pero, a medida que la presión aumenta significativamente, la banda prohibida cae gradualmente a0,3 eV . Porque la energía térmica del fluido (la temperatura llegó a ser de aproximadamente 3000 K o 2730 °C debido a la compresión de la muestra) era superior0,3 eV , el hidrógeno podría considerarse metálico.

Otras investigaciones experimentales, 1996-2004

Se siguen realizando muchos experimentos para producir hidrógeno metálico en condiciones de laboratorio a compresión estática y baja temperatura. Arthur Ruoff y Chandrabhas Narayana de la Universidad de Cornell en 1998, [24] y posteriormente Paul Loubeyre y René LeToullec del Commissariat à l'Énergie Atomique , Francia en 2002, han demostrado que a presiones cercanas a las del centro de la Tierra (320–340 GPa o 3.200.000–3.400.000 atm) y temperaturas de 100–300 K (−173–27 °C), el hidrógeno todavía no es un verdadero metal alcalino, debido a la brecha de banda no nula. La búsqueda para ver hidrógeno metálico en el laboratorio a baja temperatura y compresión estática continúa. También se están realizando estudios sobre el deuterio . [25] Shahriar Badiei y Leif Holmlid de la Universidad de Gotemburgo han demostrado en 2004 que los estados metálicos condensados ​​formados por átomos de hidrógeno excitados ( materia de Rydberg ) son promotores eficaces del hidrógeno metálico, [26] sin embargo estos resultados son discutidos. [27]

Experimento de calentamiento por láser pulsado, 2008

El máximo teóricamente predicho de la curva de fusión (el prerrequisito para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando calentamiento por láser pulsado. [28] MI Eremets et al. afirmaron que el silano molecular rico en hidrógeno ( SiH 4 ) se metaliza y se vuelve superconductor . [29] Esta afirmación es discutida y sus resultados no se han repetido. [30] [31]

Observación de hidrógeno metálico líquido, 2011

En 2011, Eremets y Troyan informaron haber observado el estado metálico líquido del hidrógeno y el deuterio a presiones estáticas de 260 a 300 GPa (2 600 000 a 3 000 000 atm). [32] [33] Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012. [34] [35]

Máquina Z, 2015

En 2015, los científicos de la Instalación de Energía Pulsada Z anunciaron la creación de deuterio metálico utilizando deuterio líquido denso , una transición de aislante eléctrico a conductor asociada con un aumento en la reflectividad óptica. [36] [37]

Se afirma que se ha observado hidrógeno metálico sólido en 2016

El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard publicaron en un manuscrito preimpreso evidencia experimental de que se había sintetizado hidrógeno metálico sólido en el laboratorio a una presión de alrededor de 495 gigapascales (4.890.000 atm; 71.800.000 psi) utilizando una celda de yunque de diamante . En 2017 se publicó una versión revisada en Science . [38] [39] [40]

En la versión preimpresa del artículo, Dias y Silvera escriben:

Con el aumento de presión observamos cambios en la muestra, pasando de transparente, a negro, a un metal reflectante, este último estudiado a una presión de 495 GPa... la reflectancia utilizando un modelo de electrones libres de Drude para determinar la frecuencia del plasma de 30,1 eV a T  = 5,5 K, con una densidad de portadores de electrones correspondiente de6,7 × 10 23 partículas/cm 3 , lo que coincide con las estimaciones teóricas. Las propiedades son las de un metal. Se ha producido hidrógeno metálico sólido en el laboratorio.

—  Días y Silvera (2016) [38]

En junio de 2019, un equipo del Comisariado de Energía Atómica y Energías Alternativas (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) afirmó haber creado hidrógeno metálico a unos 425 GPa. [41]

W. Ferreira et al. (incluidos Dias y Silvera) repitieron sus experimentos varias veces después de la publicación del artículo en Science, y finalmente lo publicaron en 2023, donde encontraron metalización del hidrógeno entre 477 y 491 gigapascales (4 710 000 y 4 850 000 atm). Esta vez, se liberó la presión para evaluar la cuestión de la metaestabilidad. No se encontró que el hidrógeno metálico fuera metaestable a presión cero. [42]

Experimentos con deuterio líquido en la Instalación Nacional de Ignición, 2018

En agosto de 2018, los científicos anunciaron nuevas observaciones [43] sobre la rápida transformación del deuterio líquido de una forma aislante a una forma metálica por debajo de los 2000 K. Se encontró una notable concordancia entre los datos experimentales y las predicciones basadas en simulaciones cuánticas de Monte Carlo , que se espera que sea el método más preciso hasta la fecha. Esto puede ayudar a los investigadores a comprender mejor los planetas gaseosos gigantes , como Júpiter, Saturno y exoplanetas relacionados , ya que se cree que dichos planetas contienen una gran cantidad de hidrógeno metálico líquido, que puede ser responsable de sus poderosos campos magnéticos observados . [44] [45]

Véase también

Referencias

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