Hidrógeno metálico para niños

Los gigantes gaseosos como Júpiter (en la imagen) y Saturno pueden contener grandes cantidades de hidrógeno metálico (en gris) y helio metálico.

El hidrógeno metálico es una clase de materia degenerada, una fase del hidrógeno que se alcanzaría cuando, estando lo suficientemente comprimido, se comportase como un conductor eléctrico. Esta fase fue predicha en 1935 por Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington. Desde entonces, la obtención de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como «el santo grial de la física de altas presiones». Algunos investigadores proponen un límite inferior de presiones (alrededor de los 400 GPa, aunque este valor ha ido aumentando con el tiempo) en el que el hidrógeno metálico estaría en estado líquido, incluso a muy bajas temperaturas.

A altas presiones y temperaturas, el hidrógeno metálico podría existir como un líquido en lugar de un sólido, y los investigadores piensan que estaría presente en grandes cantidades gravitacionalmente comprimido en los interiores calientes de Júpiter, Saturno y en algunos planetas extrasolares.

En octubre de 2016 distintas afirmaciones aseguraban que el hidrógeno metálico se había observado en el laboratorio a una presión de alrededor de 495 GPa. Estos resultados llevaron en enero de 2017 a científicos de la Universidad de Harvard a informar de la primera síntesis de hidrógeno metálico en un laboratorio, utilizando para alcanzar las altas presiones una celda de yunque de diamante. Sin embargo, varios investigadores en este mismo campo dudaron de estos resultados. Algunas observaciones consistentes con el comportamiento metálico habían sido publicadas anteriormente, como la observación de nuevas fases de hidrógeno sólido bajo condiciones estáticas de presión, y, en el deuterio líquido denso, transiciones eléctricas aislante-conductor asociadas con un aumento de la reflectividad óptica.

El hidrógeno metálico sólido consistiría en una red cristalina de núcleos de hidrógeno (es decir, protones), con un espaciado interatómico que sería significativamente menor que el radio de Bohr (de hecho, compararía mejor con la longitud de onda de De Broglie de los electrones). Los electrones del hidrógeno metálico no estarían ligados a sus núcleos y se comportarían como los electrones de conducción en un metal. Al igual que el dihidrógeno H₂ molecular, el hidrógeno metálico sería un alótropo.

Historia

Predicciones teóricas

Metalización del hidrógeno bajo presión

Eugene Wigner (a la izquierda) y Alvin Weinberg.

Aunque el hidrógeno está en la parte superior de la columna de los metales alcalinos en la tabla periódica, no muestra, en condiciones normales, las propiedades de un metal alcalino. En su lugar, forma moléculas H₂ diatómicas, análogas a los halógenos y los no metales de la segunda fila de la tabla periódica, como el nitrógeno y el oxígeno. El hidrógeno diatómico es un gas que, a presión atmosférica, se licúa y solidifica sólo a temperaturas muy bajas (20 grados y 14 grados sobre el cero absoluto, respectivamente). En 1935, sin embargo, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que sometido a una presión alta de ~25 GPa (250.000 bar), el hidrógeno mostraría propiedades metálicas: en lugar de moléculas de H₂ discretas (que consisten en dos electrones enlazados entre dos protones), una fase sólida se formaría con una red cristalina de protones y con los electrones deslocalizados en ella. Desde entonces, la obtención de hidrógeno metálico en el laboratorio se ha descrito como «el santo grial de la física de altas presiones».

La predicción inicial sobre la presión necesaria se demostró más tarde que era demasiado baja. Después del primer trabajo de Huntington y Wigner, los cálculos teóricos más modernos apuntan hacia presiones de metalización mucho mayores, aunque potencialmente accesibles. Se desarrollan técnicas para lograr presiones de hasta 500 GPa, una presión superior a la presión existente en el centro de la Tierra, con la esperanza de lograr obtener hidrógeno metálico.

Hidrógeno líquido metálico

A presión normal y a temperaturas cercanas al cero absoluto, el Helio-4 es helio líquido, una consecuencia de su alta energía del punto cero (en inglés, zero-point energy o ZPE). Del mismo modo, la ZPE de los protones en un estado denso también es alta, y se espera que, a altas presiones, la energía asociada al ordenamiento disminuya (en relación con la ZPE). Neil Ashcroft y otros han avanzado que existe un punto de fusión máximo del hidrógeno comprimido, y que también puede haber una gama de densidades (a presiones próximas a los 400 GPa) en que el hidrógeno puede ser un metal líquido, incluso a bajas temperaturas.

Superconductividad

En 1968, Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico puede ser un superconductor a temperatura ambiente (~ 290 K), una temperatura muy superior a la de cualquier otro material candidato conocido. Esto se debería a la extremadamente alta velocidad del sonido a través de esta fase del hidrógeno y al fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y las vibraciones de la red.

Posibilidad de nuevos tipos de fluido cuántico

Actualmente se conocen varios «super» estados de la materia, como los superconductores, los líquidos y gases superfluidos, y los supersólidos. Egor Babaev predijo que si el hidrógeno y el deuterio tenían estados metálicos líquidos, podrían tener estados ordenados en dominios cuánticos que no podrían ser clasificados como superconductor o superfluido en el sentido usual, sino que representarían dos tipos nuevos posibles de líquidos cuánticos: «superfluido superconductor» y «superfluido metálico». Se predice que no tendrían las respuestas habituales a campos magnéticos externos y rotaciones, lo que podría representar una ruta para la verificación experimental de esos posibles nuevos estados de la materia. También se ha sugerido que bajo la influencia de campos magnético, el hidrógeno puede mostrar transiciones de fase desde la superconductividad a la superfluidez y viceversa.

Dopaje con litio y otros metales

En 2009, Zurek et al. predijeron que la aleación LiH₆ podría ser un metal estable a solo 1/4 de la presión necesaria para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares podrían esperarse de las aleaciones de tipo LiH_n y, posiblemente, de otras aleaciones del tipo XH_n con X un metal alcalino, un lantánido o un actínido.

Búsqueda experimental

Compresión por ondas de choque

En marzo de 1996, Bruno Giuliani y un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó de que habían producido casualmente, durante un microsegundo y a temperaturas de miles de kelvins y presiones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa), y densidades de aproximadamente 0.6 g/cm³. el primer hidrógeno metálico identificable. El equipo no esperaba producir hidrógeno metálico, ya que no estaban utilizando hidrógeno sólido, que se creía necesario, y estaban trabajando a temperaturas superiores a las especificados por la teoría de la metalización. Varios estudios anteriores en que el hidrógeno sólido había sido comprimido en una celda de yunque de diamante a presiones de hasta 2.500.000 atm (~253 GPa), no confirmaron metalización detectable. El equipo había tratado simplemente de medir los cambios de conductividad eléctrica menos extremos que se esperaba ocurrieran. Los investigadores utilizaron un cañón de luz de gas de la década de 1960, originalmente empleado en los 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 conectado mediante hilos conductores a un dispositivo de medición de la resistencia eléctrica. Los científicos encontraron que, cuando la presión aumentó a 1 400 000 atm (142 GPa), la energía asociada a la banda prohibida (bandgap), una medida de la resistencia eléctrica, se redujo a casi cero. La banda prohibida del hidrógeno en un estado no comprimido es de unos 15 eV, un aislante inequívoco, pero, cuando la presión aumentó de manera significativa, la banda prohibida cayó gradualmente a 0,3 eV. Dado que la energía térmica del fluido (debido a la compresión de la muestra, la temperatura era de unos 3000 K) era superior a 0,3 eV, el hidrógeno podría ser considerado metálico.

Otras investigaciones experimentales desde 1996

Se han realizado muchos experimentos para la producción de hidrógeno metálico en condiciones de laboratorio, con compresión estática y bajas temperaturas. Arthur Ruoff y Chandrabhas Narayana, de la Universidad de Cornell, en 1998, y más tarde, Paul Loubeyre y René LeToullec, del Comisariado de la Energía Atómica (Francia), en 2002, han demostrado que a presiones similares a las del centro de la Tierra (3,2 a 3,4 millones de atmósferas o 324 a 345 GPa) y a temperaturas de 100-300 K, el hidrógeno no es todavía un verdadero metal alcalino, a causa de una banda prohibida mayor de cero. La búsqueda para obtener hidrógeno metálico en el laboratorio a baja temperatura y compresión estática continúa y también se está experimentando con el deuterio. En 2004, Shahriar Badiei y Leif Holmlid, de la Universidad de Gotemburgo, demostraron que los estados metálicos condensados hechos de átomos excitados de hidrógeno (la materia de Rydberg) son promotores eficaces de hidrógeno metálico.

Avances experimentales en 2008

El máximo teóricamente previsto de la curva de fusión (un requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando el calentamiento por pulsos de láser (pulsed laser heating). La aleación rica en hidrógeno, silano (SiH₄), fue metalizada y M.I. Eremets et al. encontraron que era superconductora, confirmando la temprana predicción teórica de Ashcroft. En esta aleación rica en hidrógeno, incluso a presiones moderadas (a causa de una precompresión química) el hidrógeno forma una sub-red con una densidad correspondiente a la del hidrógeno metálico.

Experimento de calentamiento con láser de pulso, 2008

El máximo teóricamente predicho de la curva de fusión (el requisito previo para el hidrógeno metálico líquido) fue descubierto por Shanti Deemyad e Isaac F. Silvera usando un calentamiento mediante láser pulsado. M.I. Eremets et al.. alegó que el silano molecular rico en hidrógeno (SiH₄) se habría metalizado y convertido en superconductor. Esta afirmación se discute y sus resultados no se han repetido.

Observación del hidrógeno líquido metálico, 2011

En 2011 Eremets y Troyan informaron haber observado el estado líquido metálico del hidrógeno y deuterio a presiones estáticas de 2 600 000. Esta afirmación fue cuestionada por otros investigadores en 2012.

Máquina Z, 2015

En 2015, los científicos de la Máquina Z (Z Pulsed Power Facility) anunciaron la creación de deuterio metálico.

Comunicación de observación directa del hidrógeno metálico sólido, 2016

El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard dieron a conocer alegaciones de evidencia experimental de que el hidrógeno metálico sólido había sido sintetizado en el laboratorio. Este manuscrito estaba disponible en octubre de 2016 y una versión revisada fue publicada posteriormente en la revista Science en enero de 2017. En la versión preliminar del artículo, Dias y Silvera escriben:

Con una presión creciente 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 portadora de electrones correspondiente a 6,7×10²³ partículas/cm³, consistente con las estimaciones teóricas. Las propiedades son las de un metal. El hidrógeno metálico sólido ha sido producido en el laboratorio.

With increasing pressure we observe changes in the sample, going from transparent, to black, to a reflective metal, the latter studied at a pressure of 495 GPa... the reflectance using a Drude free electron model to determine the plasma frequency of 30,1 eV at T =5.5 K, with a corresponding electron carrier density of 6.7×10²³ particles/cm³, consistent with theoretical estimates. The properties are those of a metal. Solid metallic hydrogen has been produced in the laboratory.

Dias & Silvera (2016)

Silvera afirmó que no repetirían su experimento, ya que más pruebas podrían dañar o destruir su muestra existente, pero aseguraron a la comunidad científica que se estaban haciendo más pruebas. Poco después de que la pretensión fuese publicada en Science, la división de noticias de Nature publicó un artículo en que otros físicos consideraban el resultado con escepticismo. Recientemente, miembros destacados de la comunidad de investigación de altas presiones han criticado los resultados alegados, cuestionando las presiones declaradas o la presencia de hidrógeno a esas presiones declaradas. En febrero de 2017, se informó que la muestra de hidrógeno metálico se había perdido, dado de que los yunques de diamante que la contenían se habían roto.

Hidrógeno metálico en otros contextos

Astrofísica

Se piensa que el hidrógeno metálico está presente en grandes cantidades en el interior, gravitatoriamente comprimido, de Júpiter, Saturno y algunos de los planetas extrasolares recientemente descubiertos. Debido a que las predicciones anteriores sobre la naturaleza de estos interiores había dado por sentada la metalización a una presión mayor que la que ahora se sabe a que sucede, las predicciones deben ser de nuevo afinadas. Los nuevos datos indican que debe de existir mucho más hidrógeno metálico dentro de Júpiter del que se pensaba, que estaría cerca de la superficie, y que por lo tanto, el enorme campo magnético de Júpiter, el más fuerte de cualquier planeta del sistema solar, a su vez, se produciría cerca de la superficie.

Permeación del hidrógeno de los metales

Como se mencionó anteriormente, el silano (SiH₄) comprimido forma una aleación metálica. Es bien sabido que el hidrógeno, en condiciones de presión normales, puede permear en un grado notable diversos metales ordinarios. En algunos metales (por ejemplo, el litio) ocurre una reacción química que produce un compuesto químico no-metálico (hidruro de litio). En otros casos, es posible que el hidrógeno, literalmente, haga aleaciones de sí mismo con el metal (algo análogo a la formación de la amalgama de mercurio). Ciertamente, se sabe que muchos metales siguen siendo metálicos (por ejemplo, el paladio), después de la absorción de hidrógeno —la mayoría se vuelven frágiles, pero muchas aleaciones comunes también son frágiles.

Aplicaciones

Energía nuclear

Un método de producir la fusión nuclear es la llamada fusión por confinamiento inercial, cuyo objetivo consiste en bombardear con rayos láser pellets de isótopos de hidrógeno. Una mejor comprensión del comportamiento del hidrógeno en condiciones extremas puede ayudar a aumentar el rendimiento de la energía.

Combustible

Tal vez sea posible producir cantidades sustanciales de hidrógeno metálico para fines prácticos. Ha sido teorizada la existencia de un forma llamada «hidrógeno metálico metaestable», (en inglés, Metastable Metallic Hydrogen, conocida por su abreviatura como MSMH) que podría no volver inmediatamente a hidrógeno ordinario cuando fuese liberada de presión.

Además, el MSMH sería un combustible eficiente en sí, y también limpio, ya que únicamente daría agua como residuo final. Nueve veces más denso que el hidrógeno normal, emitiría una considerable energía cuando retornase a hidrógeno normal. Quemado más rápidamente, podría ser un propergol con casi cinco veces más eficiencia que el H₂/O₂ líquidos, el actual combustible del transbordador espacial. Por desgracia, los experimentos anteriormente mencionados del Lawrence Livermore en los que se produjo hidrógeno metálico, fueron demasiado breves para determinar si la metaestabilidad era o no posible.

En ciencia ficción

En el juego de rol de Eclipse Phase, el hidrógeno metálico es mencionado como propulsor de naves espaciales, especialmente para el aterrizaje en cuerpos planetarios y de transferencias orbitales de corto alcance.

Véase también

En inglés: Metallic hydrogen Facts for Kids

• Hidrógeno sólido
• Hidrógeno pastoso
• Cronología de las tecnologías del hidrógeno