El hidrógeno sólido es el estado sólido del elemento hidrógeno , que se logra disminuyendo la temperatura por debajo del punto de fusión del hidrógeno de 14,01 K (-259,14 °C; -434,45 °F). Fue recopilado por primera vez por James Dewar en 1899 y publicado con el título "Sur la solidification de l'hydrogène" (inglés: Sobre la congelación del hidrógeno) en los Annales de Chimie et de Physique , séptima serie, vol. 18, octubre de 1899. [1] [2] El hidrógeno sólido tiene una densidad de 0,086 g/cm 3 , lo que lo convierte en uno de los sólidos de menor densidad.
A bajas temperaturas y presiones de hasta aproximadamente 400 GPa (3.900.000 atm), el hidrógeno forma una serie de fases sólidas formadas a partir de moléculas discretas de H2 . La fase I ocurre a bajas temperaturas y presiones y consiste en una matriz hexagonal compacta de moléculas de H 2 que giran libremente . Al aumentar la presión a baja temperatura, se produce una transición a la Fase II hasta 110 GPa. [3] La fase II es una estructura de simetría rota en la que las moléculas de H 2 ya no pueden girar libremente. [4] Si la presión se aumenta aún más a baja temperatura, se encuentra una Fase III a aproximadamente 160 GPa. Al aumentar la temperatura, se produce una transición a la Fase IV a una temperatura de unos pocos cientos de kelvin en un rango de presiones superiores a 220 GPa. [5] [6]
Identificar las estructuras atómicas de las diferentes fases del hidrógeno sólido molecular es extremadamente desafiante, porque los átomos de hidrógeno interactúan muy débilmente con los rayos X y solo se pueden obtener pequeñas muestras de hidrógeno sólido en las celdas de yunque de diamante , por lo que la difracción de rayos X proporciona resultados muy limitados. información sobre las estructuras. Sin embargo, las transiciones de fase pueden detectarse buscando cambios abruptos en los espectros Raman de las muestras. Además, las estructuras atómicas se pueden inferir a partir de una combinación de espectros Raman experimentales y modelos de primeros principios. [7] Se han utilizado cálculos de la teoría del funcional de densidad para buscar estructuras atómicas candidatas para cada fase. Estas estructuras candidatas tienen bajas energías libres y espectros Raman de acuerdo con los espectros experimentales. [8] [9] [10] Los métodos Quantum Monte Carlo junto con un tratamiento de primeros principios de los efectos vibratorios anarmónicos se han utilizado para obtener las energías libres de Gibbs relativas de estas estructuras y, por lo tanto, para obtener un diagrama de fase teórico de presión-temperatura que está en un acuerdo cuantitativo razonable con el experimento. [11] Sobre esta base, se cree que la Fase II es una estructura molecular de simetría P 2 1 / c ; La Fase III es (o es similar a) una estructura de simetría C 2/ c que consiste en capas planas de moléculas en una disposición hexagonal distorsionada; y la Fase IV es (o es similar a) una estructura de simetría Pc , que consta de capas alternas de moléculas fuertemente unidas y láminas similares al grafeno débilmente unidas.
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