El hidrógeno sólido es el estado sólido del elemento hidrógeno , que se logra al disminuir 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" (en español: Sobre la congelación del hidrógeno) en los Annales de Chimie et de Physique , 7.ª 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 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 se produce a bajas temperaturas y presiones, y consiste en una matriz compacta hexagonal de moléculas de H2 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 H2 ya no pueden girar libremente. [4] Si la presión se aumenta aún más a baja temperatura, se encuentra una fase III a unos 160 GPa. Al aumentar la temperatura, se produce una transición a una 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 con los rayos X muy débilmente y solo se pueden lograr pequeñas muestras de hidrógeno sólido en celdas de yunque de diamante , de modo que la difracción de rayos X proporciona información muy limitada sobre las estructuras. Sin embargo, las transiciones de fase se pueden detectar 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 modelado de primeros principios. [7] Se han utilizado cálculos de teoría funcional de la densidad para buscar estructuras atómicas candidatas para cada fase. Estas estructuras candidatas tienen energías libres bajas y espectros Raman de acuerdo con los espectros experimentales. [8] [9] [10] Luego se han utilizado métodos de Monte Carlo cuántico junto con un tratamiento de primeros principios de los efectos vibracionales anarmónicos 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 consiste en capas alternas de moléculas fuertemente unidas y láminas similares al grafeno débilmente unidas.
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