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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 líquido parcial en lugar de sólido , y los investigadores creen que podría estar presente en grandes cantidades en los interiores calientes y gravitacionalmente comprimidos de Júpiter y Saturno , así como en algunos exoplanetas . [2]

Predicciones teóricas

Un diagrama de Júpiter que muestra un modelo del interior del planeta, con un núcleo rocoso cubierto por una capa profunda de hidrógeno metálico líquido (que se muestra en color 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 más altos en el interior del planeta. Además, no existe un límite físico claro entre las capas de hidrógeno: a medida que aumenta la profundidad, el gas aumenta suavemente en temperatura y densidad, hasta convertirse finalmente 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 de la tabla periódica , el hidrógeno, en condiciones normales, no exhibe las propiedades de un metal alcalino. En cambio, forma moléculas diatómicas de H 2 , similares a los halógenos y algunos no metales del segundo período de la tabla periódica, como el nitrógeno y el oxígeno . El hidrógeno diatómico es un gas que, a presión atmosférica , se licua y solidifica sólo a muy baja temperatura (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 mostraría propiedades metálicas : en lugar de moléculas discretas de H 2 (que constan de dos electrones unidos entre dos protones ), se formaría una fase masiva con una red sólida de protones y los electrones deslocalizados en todas partes. [1] Desde entonces, la producción de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como "el santo grial de la física de alta presión". [3]

Finalmente se demostró que la predicción inicial sobre la cantidad de presión necesaria era demasiado baja. [4] Desde el primer trabajo de Wigner y Huntington, los cálculos teóricos más modernos apuntan hacia 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 cercana al cero absoluto , consecuencia de su alta energía de punto cero (ZPE). La ZPE de los protones en estado denso también es alta y se espera una disminución en la energía de orden (en relación con la ZPE) a altas presiones. Neil Ashcroft y otros han argumentado que existe un punto de fusión máximo en el hidrógeno comprimido , pero también 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. [7] [8]

Geng predijo que la ZPE de los protones efectivamente reduce la temperatura de fusión del hidrógeno a un mínimo de 200 a 250 K (-73 a -23 °C) a presiones de 500 a 1500 GPa (4900 000 a 14 800 000 atm; 73 000 000 a 218 000 000 psi). [9] [10]

Dentro de esta región plana podría haber una mesofase elemental intermedia entre el estado líquido y sólido, que podría estabilizarse metaestablemente hasta bajas temperaturas y entrar en un estado supersólido . [11]

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 de la red . [12]

Como propulsor de cohetes

El hidrógeno metálico metaestable puede tener potencial como propulsor de cohetes altamente eficiente, con un impulso específico teórico de hasta 1700 segundos (como referencia, los propulsores químicos de cohetes más eficientes actuales tienen un I sp inferior a 500 s [13] ), aunque un metaestable Es posible que no exista una forma adecuada para la producción en masa y el almacenamiento convencional de gran volumen. [14] [15] Otro problema importante es el calor de la reacción, que a más de 6000 K es demasiado alto para que se pueda utilizar 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. [13]

Posibilidad de nuevos tipos de fluido cuántico

Los "súper" estados de la materia actualmente conocidos 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 cuánticos ordenados que no pueden clasificarse como superconductores o superfluidos en el sentido habitual. En cambio, podrían representar dos posibles tipos novedosos de fluidos cuánticos : superfluidos superconductores y superfluidos metálicos . Se predijo que tales fluidos tendrían reacciones muy inusuales a las rotaciones y campos magnéticos externos, 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 presentar transiciones de fase de superconductividad a superfluidez y viceversa. [16] [17] [18]

La aleación de litio reduce la presión requerida

En 2009, Zurek et al. predijo que la aleación LiH 6 sería un metal estable a sólo una cuarta parte de la presión requerida para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares deberían ser válidos para las aleaciones de tipo LiH n y posiblemente "otros sistemas alcalinos con alto contenido de hidruros ", es decir, aleaciones de tipo XH n , donde X es un metal alcalino . [19] Esto se verificó más tarde en AcH 8 y LaH 10 con Tc acercándose a 270 K [20], lo que llevó a la especulación de que otros compuestos pueden incluso ser estables a presiones de simples MPa con superconductividad a temperatura ambiente.

Búsqueda experimental

Compresión de ondas de choque, 1996

En marzo de 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó que habían producido por casualidad el primer hidrógeno identificablemente metálico [21] durante aproximadamente un microsegundo a temperaturas de miles de Kelvin , presiones de más de 100 GPa (1.000.000 atm; 15.000.000 psi). , y densidades de aproximadamente0,6 g/ cm3 . [22] El equipo no esperaba producir hidrógeno metálico, ya que no estaba usando 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 tratado simplemente de medir los cambios de conductividad eléctrica menos extremos que esperaban. Los investigadores utilizaron un cañón de gas ligero de la década de 1960 , utilizado originalmente en estudios de misiles guiados , para disparar una placa impactadora a un recipiente sellado que contenía una muestra de hidrógeno líquido de medio milímetro de espesor . 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 banda prohibida de energía electrónica , una medida de resistencia eléctrica , caía a casi cero. La banda prohibida del hidrógeno en su estado no comprimido es aproximadamente15  eV , lo que lo convierte en un aislante pero, a medida que la presión aumenta significativamente, la banda prohibida cayó gradualmente a0,3 eV . Debido a que la energía térmica del fluido (la temperatura llegó a ser de aproximadamente 3000 K o 2730 °C debido a la compresión de la muestra) estaba por encima0,3 eV , el hidrógeno podría considerarse metálico.

Otras investigaciones experimentales, 1996-2004

Muchos experimentos continúan en la producción de hidrógeno metálico en condiciones de laboratorio a compresión estática y baja temperatura. Arthur Ruoff y Chandrabhas Narayana de la Universidad de Cornell en 1998, [23] y más tarde 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 banda prohibida distinta de cero. Continúa la búsqueda para ver hidrógeno metálico en laboratorio a baja temperatura y compresión estática. También se están realizando estudios sobre el deuterio . [24] Shahriar Badiei y Leif Holmlid de la Universidad de Gotemburgo demostraron en 2004 que los estados metálicos condensados ​​formados por átomos de hidrógeno excitados ( materia Rydberg ) son promotores eficaces del hidrógeno metálico, [25] sin embargo, estos resultados son controvertidos. [26]

Experimento de calentamiento por láser pulsado, 2008

El máximo teóricamente previsto de la curva de fusión (el requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera mediante calentamiento por láser pulsado. [27] MI Eremets et al afirmaron que el silano molecular rico en hidrógeno ( SiH 4 ) estaba metalizado y se volvía superconductor . . [28] Esta afirmación es controvertida y sus resultados no se han repetido. [29] [30]

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). [31] [32] Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012. [33] [34] Recientemente se propuso que el hidrógeno en las estrellas tiene una conductividad eléctrica de1,1 × 10 6  S/m .

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 de la reflectividad óptica. [35] [36]

Observación reivindicada de hidrógeno metálico sólido, 2016

El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard publicaron afirmaciones de 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 . [37] [38] Este manuscrito estuvo disponible en octubre de 2016, [39] y posteriormente se publicó una versión revisada en la revista Science en enero de 2017. [37] [38]

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

Al aumentar la 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 usando un modelo de electrones libres de Drude para determinar la frecuencia del plasma de 30,1 eV. en T  = 5,5 K, con una densidad de portador de electrones correspondiente de6,7 × 10 23 partículas/cm 3 , consistente con estimaciones teóricas. Las propiedades son las de un metal. En el laboratorio se ha producido hidrógeno metálico sólido.

—  Días y Silvera (2016) [39]

Silvera afirmó que no repitieron su experimento, ya que más pruebas podrían dañar o destruir su muestra existente, pero aseguró a la comunidad científica que vienen más pruebas. [40] [41] También afirmó que la presión eventualmente se liberaría, para descubrir si la muestra era metaestable (es decir, si persistiría en su estado metálico incluso después de que se liberara la presión). [42]

Poco después de que se publicara la afirmación en Science , la división de noticias de Nature publicó un artículo en el que afirmaba que algunos otros físicos consideraban el resultado con escepticismo. Miembros destacados de la comunidad de investigación de alta presión criticaron los resultados afirmados, [43] [44] [45] [46] cuestionando las presiones afirmadas o la presencia de hidrógeno metálico a las presiones afirmadas.

En febrero de 2017, se informó que la muestra del hidrógeno metálico reclamado se perdió, luego de que se rompieran los yunques de diamante que contenía. [47]

En agosto de 2017, Silvera y Dias emitieron una errata [48] al artículo de Science , con respecto a los valores de reflectancia corregidos debido a las variaciones entre la densidad óptica de los diamantes naturales estresados ​​y los diamantes sintéticos utilizados en su celda de yunque de diamante de precompresión .

En junio de 2019, un equipo del Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies Alternatives (Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica) afirmó haber creado hidrógeno metálico a alrededor de 425 GPa utilizando una celda de yunque de diamante de perfil toroidal producida mediante mecanizado por haz de electrones. [49]

W. Ferreira et al. (incluidos Dias y Silvera) publicaron una preimpresión en septiembre de 2022 afirmando haber repetido el experimento y encontrando metalización del hidrógeno entre 477 y 491 GPa. Esta vez se liberó la presión para evaluar la cuestión de la metaestabilidad. Informaron que no se encontró que el hidrógeno metálico fuera metaestable a presión cero, y que la transformación a la fase molecular probablemente ocurrió entre 113 y 84 GPa. Los autores planean estudiar la metalización y la metaestabilidad del deuterio en el futuro. [50]

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

En agosto de 2018, los científicos anunciaron nuevas observaciones [51] sobre la rápida transformación del deuterio fluido de una forma aislante a una metálica por debajo de 2000 K. Se encuentra una notable concordancia entre los datos experimentales y las predicciones basadas en simulaciones cuánticas de Monte Carlo , lo que se espera ser 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 los potentes campos magnéticos observados . [52] [53]

Ver también

Referencias

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