Hidrógeno metálico para niños
Contenido
¿Qué es el Hidrógeno Metálico?
El hidrógeno metálico es una forma especial del hidrógeno. Imagina que el hidrógeno, que normalmente es un gas, se comprime tanto que empieza a comportarse como un metal y puede conducir la electricidad. Esto fue predicho en 1935 por los científicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington. Conseguir hidrógeno metálico en un laboratorio ha sido un gran desafío para los científicos.
Los investigadores creen que el hidrógeno metálico podría existir en grandes cantidades dentro de planetas gigantes como Júpiter y Saturno. Allí, la enorme presión y el calor harían que el hidrógeno se volviera líquido y metálico.
En 2016 y 2017, algunos científicos de la Universidad de Harvard anunciaron que habían logrado crear hidrógeno metálico en un laboratorio. Usaron una herramienta especial llamada "celda de yunque de diamante" para aplicar una presión increíblemente alta. Sin embargo, otros científicos aún tienen dudas sobre estos resultados y la investigación continúa.
Cuando el hidrógeno metálico es sólido, sus núcleos (llamados protones) forman una estructura ordenada, como una red. Los electrones de este hidrógeno no están unidos a sus núcleos, sino que se mueven libremente, igual que en los metales. El hidrógeno metálico es un tipo de alótropo del hidrógeno, lo que significa que es una forma diferente en la que puede presentarse este elemento.
Historia y Predicciones
Predicciones Teóricas del Hidrógeno Metálico
¿Cómo se metaliza el hidrógeno bajo presión?
El hidrógeno se encuentra en la misma columna que los metales alcalinos en la tabla periódica. Sin embargo, en condiciones normales, no se parece a un metal. En su lugar, forma moléculas de H2 (dos átomos de hidrógeno unidos), como el nitrógeno o el oxígeno. El hidrógeno es un gas que solo se vuelve líquido o sólido a temperaturas muy, muy bajas.
En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que si el hidrógeno se sometía a una presión muy alta (alrededor de 250.000 veces la presión atmosférica), se comportaría como un metal. En lugar de moléculas de H2 separadas, se formaría un sólido con una red de protones y electrones moviéndose libremente. Desde entonces, lograr esto en el laboratorio ha sido un objetivo muy importante en la física.
Al principio, se pensó que la presión necesaria sería menor. Pero con el tiempo, los cálculos más recientes sugieren que se necesita una presión mucho mayor, ¡incluso más alta que la que hay en el centro de la Tierra! Los científicos están desarrollando técnicas para alcanzar estas presiones extremas.
Hidrógeno Metálico Líquido
A presiones y temperaturas muy altas, el hidrógeno metálico podría existir como un líquido en lugar de un sólido. Los científicos creen que esto podría ocurrir en el interior de planetas gigantes como Júpiter y Saturno. Se piensa que el hidrógeno podría ser un metal líquido incluso a bajas temperaturas si la presión es lo suficientemente alta.
Superconductividad del Hidrógeno Metálico
En 1968, el científico Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico podría ser un superconductor a temperatura ambiente. Esto sería increíble, ya que la mayoría de los superconductores solo funcionan a temperaturas extremadamente bajas. Se cree que esto podría ser posible debido a la alta velocidad a la que el sonido viaja a través de esta forma de hidrógeno y a la fuerte conexión entre sus electrones y las vibraciones de su estructura.
Nuevos Tipos de Fluidos Cuánticos
Existen estados especiales de la materia como los superconductores o los superfluidos. Algunos científicos han predicho que si el hidrógeno y el deuterio (un tipo de hidrógeno) tuvieran estados metálicos líquidos, podrían formar nuevos tipos de fluidos cuánticos. Estos estados tendrían propiedades muy particulares y podrían ayudar a los científicos a entender mejor la materia.
Mezclas con Otros Metales
En 2009, algunos científicos predijeron que al mezclar hidrógeno con litio (formando LiH6), se podría obtener un metal estable a una presión mucho menor que la necesaria para metalizar el hidrógeno puro. Esto sugiere que otras mezclas de hidrógeno con metales alcalinos podrían tener propiedades similares.
Búsqueda Experimental del Hidrógeno Metálico
Compresión con Ondas de Choque
En 1996, un grupo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunció que habían producido hidrógeno metálico por accidente. Lo lograron por un instante muy corto (un microsegundo) a temperaturas muy altas y presiones extremas. Usaron un cañón especial para disparar una placa contra una muestra de hidrógeno líquido. Cuando la presión alcanzó un nivel muy alto, la resistencia eléctrica del hidrógeno se redujo casi a cero, lo que indicaba que se había vuelto metálico.
Otras Investigaciones desde 1996
Desde 1996, se han realizado muchos experimentos para crear hidrógeno metálico en el laboratorio usando compresión estática (presión constante) y bajas temperaturas. Sin embargo, hasta ahora, el hidrógeno no se ha comportado como un metal verdadero en estas condiciones. La búsqueda continúa, y también se están haciendo experimentos con deuterio.
Avances Experimentales en 2008
En 2008, se descubrió el punto de fusión máximo del hidrógeno comprimido, lo cual es importante para entender el hidrógeno metálico líquido. También se encontró que una mezcla rica en hidrógeno llamada silano (SiH4) se volvió metálica y superconductora bajo presión.
Observación de Hidrógeno Líquido Metálico en 2011
En 2011, los científicos Eremets y Troyan afirmaron haber observado el estado líquido metálico del hidrógeno y el deuterio a presiones muy altas. Sin embargo, esta afirmación también fue cuestionada por otros investigadores.
Experimento con la Máquina Z en 2015
En 2015, científicos de la Máquina Z (una instalación de investigación) anunciaron que habían creado deuterio metálico.
Anuncio de Observación Directa en 2016
El 5 de octubre de 2016, Ranga Dias e Isaac F. Silvera de la Universidad de Harvard afirmaron haber sintetizado hidrógeno metálico sólido en el laboratorio. Observaron que la muestra de hidrógeno cambiaba de transparente a negra y luego a un metal brillante bajo una presión extremadamente alta. Según ellos, las propiedades de este material eran las de un metal.
Silvera dijo que no repetirían el experimento para no dañar la muestra. Sin embargo, otros físicos se mostraron escépticos sobre estos resultados. En febrero de 2017, se informó que la muestra de hidrógeno metálico se había perdido porque los yunques de diamante que la contenían se habían roto.
Hidrógeno Metálico en Otros Lugares
Astrofísica
Se cree que el hidrógeno metálico existe en grandes cantidades en el interior de planetas gigantes como Júpiter, Saturno y algunos planetas extrasolares (planetas fuera de nuestro sistema solar). Los nuevos datos sugieren que podría haber mucho más hidrógeno metálico dentro de Júpiter de lo que se pensaba, y que estaría más cerca de la superficie. Esto podría explicar por qué Júpiter tiene un campo magnético tan fuerte, el más potente de todos los planetas de nuestro sistema solar.
Hidrógeno en Metales
El hidrógeno, en condiciones normales, puede entrar en algunos metales. En algunos casos, forma un compuesto químico. En otros, el hidrógeno puede mezclarse con el metal, como cuando el mercurio se mezcla con otros metales. Muchos metales, como el paladio, siguen siendo metálicos después de absorber hidrógeno, aunque a veces se vuelven más frágiles.
Posibles Aplicaciones
Energía Nuclear
Una forma de producir fusión nuclear (la energía que alimenta el Sol) es bombardear pequeñas esferas de isótopos de hidrógeno con rayos láser. Entender cómo se comporta el hidrógeno en condiciones extremas podría ayudar a mejorar la producción de esta energía.
Combustible
Podría ser posible producir hidrógeno metálico en grandes cantidades para usos prácticos. Se ha teorizado sobre una forma de hidrógeno metálico que podría no volver a su estado normal inmediatamente después de que se le quite la presión.
Este "hidrógeno metálico metaestable" podría ser un combustible muy eficiente y limpio, ya que solo produciría agua como residuo. Sería mucho más denso que el hidrógeno normal y liberaría una gran cantidad de energía al volver a su estado original. Podría ser un combustible para cohetes casi cinco veces más eficiente que los combustibles actuales. Sin embargo, los experimentos realizados hasta ahora han sido demasiado cortos para saber si esta forma metaestable es posible.
En la Ciencia Ficción
En algunos juegos de rol, el hidrógeno metálico se menciona como un tipo de combustible para naves espaciales, especialmente para aterrizar en planetas o para viajes cortos en el espacio.
Véase también
En inglés: Metallic hydrogen Facts for Kids
- Hidrógeno sólido
- Hidrógeno pastoso
- Cronología de las tecnologías del hidrógeno
