Hidrógeno metálico

El hidrógeno metálico es un estado del hidrógeno que se produce cuando está lo suficientemente comprimido y es sometido a una transición de fase, siendo un ejemplo de materia degenerada. Algunos investigadores creen que hay una serie de presiones (alrededor de los 400 GPa) en las que el hidrógeno metálico es líquido, incluso a muy bajas temperaturas.[1] [2]

El hidrógeno metálico sólido consiste en una red cristalina de núcleos de hidrógeno (es decir, protones), con un espacio que es significativamente menor que el radio de Bohr (de hecho, el espacio es más comparable con la longitud de onda de De Broglie de los electrones). Los electrones no están ligados y se comportan como los electrones de conducción en un metal. Como la molécula de dihidrógeno H2, el hidrógeno metálico es un alótropo. En el hidrógeno metálico líquido, los protones no tienen orden reticular, sino que es un sistema líquido de protones y electrones.

Contenido

Historia

Predicciones teóricas

Metalización del hidrógeno bajo presión

Eugene Wigner (a la izquierda) y Alvin Weinberg.

Aunque el el hidrógeno está en la parte superior de la columna de los metales alcalinos en la tabla periódica, no es, en condiciones normales, un metal alcalino. En 1935, sin embargo, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que sometido a una inmensa presión de ~25 GPa (250.000 atm), los átomos de hidrógeno mostrarian propiedades metálicas, perdiendo control sobre sus electrones.[3] Desde entonces, el hidrógeno metálico se ha descrito como «el santo grial de la física de altas presiones».[4]

La previsión inicial sobre la cantidad de presión necesaria finalmente se demostró que era demasiado baja.[5] Desde el primer trabajo de Huntington y Wigner, los cálculos teóricos más modernos apuntan hacia presiones de metalización mayores, no obstante potencialmente accesibles. Se están desarrollando 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.[6]

Hidrógeno líquido metálico

A presión normal y a temperaturas cercanas al cero absoluto, el Helio-4 es helío líquido, una consecuencia de una alta energía del punto cero (en inglés, zero-point energy o ZPE). Del mismo modo, las ZPE de protones en un estado denso también son altas, y se espera que, a altas presiones, se de una disminución en el ordenamiento de la energía (en relación con la ZPE). Neil Ashcroft y otros han avanzado que no es un punto de fusión máximo del hidrógeno comprimido, dado 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.[7] [8]

Superconductividad

En 1968, Ashcroft presentó que el hidrógeno metálico puede ser un superconductor a temperatura ambiente (~ 290 K), a una temperatura muy superior a la de cualquier otro material candidato conocido. Esto se debe a su extremadamente alta velocidad del sonido y al fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y las vibraciones de la red.[9]

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». Estos mostraron tener reacciones muy raras en 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 del campo magnético, el hidrógeno puede mostrar transiciones de fase desde la superconductividad a la superfluidez y viceversa.[10] [11] [12]

Dopaje de litio

En 2009, Zurek et al. predijeron que la aleación LiH6 podría ser un metal estable a sólo 1/4 de la presión necesaria para metalizar el hidrógeno, y que efectos similares podrían esperarse de las aleaciones de tipo LiHn y, posiblemente, de otras aleaciones del tipo ?Lin.[13]

Búsqueda experimental

Metalización del hidrógeno

En marzo de 1996, 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), el primer hidrógeno metálico identificable.[14] 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 yunques de diamante a presiones de hasta 2.500.000 atm (~253 GPa), no confirmarón 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 electrónica de 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, por lo que es un aislante, pero, cuando la presión aumentó de manera significativa, la banda prohibida cayó gradualmente a 0,3 eV. Debido a 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,[15] 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 no-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.[16] 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.[17]

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).[18] 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.[19] 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.

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) presurizado 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, 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[cita requerida] 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.[20] 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.[21]

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.[cita requerida]

Véase también

Notas

  1. Ashcroft N.W., (en inglés) The hydrogen liquids. J.Phys. A 12, A129-137 (2000).
  2. Bonev, S.A., Schwegler, E., Ogitsu, T., and Galli, G., (en inglés) A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first principles calculations. Nature 431, 669 (2004).
  3. Wigner, E.; H.B. Huntington (1935). «On the possibility of a metallic modification of hydrogen» (en inglés). Journal of Chemical Physics 3:  pp. 764. doi:10.1063/1.1749590. 
  4. «the holy grail of high-pressure physics», Cornell News (6 May 1998). «High-pressure scientists 'journey' to the center of the Earth, but can't find elusive metallic hydrogen». Comunicado de prensa. Consultado el 2010-01-02.
  5. Loubeyre, P.; et al. (1996). «X-ray diffraction and equation of state of hydrogen at megabar pressures» (en inglés). Nature 383:  pp. 702. doi:10.1038/383702a0. 
  6. «Peanut butter diamonds on display» (en inglés). BBC News (27 de junio de 2007). Consultado el 02-01-2010.
  7. Ashcroft, N.W. (2000). (en inglés)Journal of Physics: Condensed Matter 12:  pp. A129. doi:10.1088/0953-8984/12/8A/314. 
  8. Bonev, S.A.; et al. (2004). «A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations» (en inglés). Nature 431:  pp. 669. doi:10.1038/nature02968. 
  9. Ashcroft, N.W. (1968). «Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?» (en inglés). Physical Review Letters 21:  pp. 1748. doi:10.1103/PhysRevLett.21.1748. 
  10. Babaev, E.; N.W. Ashcroft (2007). «Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors» (en inglés). Nature Physics 3:  pp. 530. doi:10.1038/nphys646. 
  11. Babaev, E.; A. Sudbø y N.W. Ashcroft (2004). «A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen» (en inglés). Nature 431:  pp. 666. doi:10.1038/nature02910. 
  12. E. (2002). «Vortices with fractional flux in two-gap superconductors and in extended Faddeev model» (en inglés). Physical Review Letters 89:  pp. 067001. doi:10.1103/PhysRevLett.89.067001. 
  13. Zurek, E.; et al. (2009). «A little bit of lithium does a lot for hydrogen» (en inglés). Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.0908262106. 
  14. Weir, S.T.; A.C. Mitchell y W. J. Nellis (1996). «Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar)» (en inglés). Physical Review Letters 76:  pp. 1860. doi:10.1103/PhysRevLett.76.1860. 
  15. Ruoff, A.L.; et al. (1998). «Solid hydrogen at 342 GPa: No evidence for an alkali metal» (en inglés). Nature 393:  pp. 46. doi:10.1038/29949. 
  16. Baer, B.J. (2007). «Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy of highly compressed solid deuterium at 300 K: Evidence for a new phase and implications for the band gap» (en inglés). Physical Review Letters 98:  pp. 235503. doi:10.1103/PhysRevLett.98.235503. 
  17. Badiei, S.; L. Holmlid (2004). «Experimental observation of an atomic hydrogen material with H–H bond distance of 150 pm suggesting metallic hydrogen» (en inglés). Journal of Physics: Condensed Matter 16:  pp. 7017. doi:10.1088/0953-8984/16/39/034. 
  18. Deemyad, S.; I.F. Silvera (Marzo 2008) (en inglés). The melting line of hydrogen at high pressures. 
  19. Eremets, M.I.; et al. (2008). «Superconductivity in hydrogen dominant materials: Silane» (en inglés). Science 319:  pp. 1506. doi:10.1126/science.1153282. 
  20. Cole, J.W.; I.F. Silvera (2009). «Metallic Hydrogen Propelled Launch Vehicles for Lunar Missions» (en inglés). AIP Conference Proceedings 1103:  pp. 117. doi:10.1063/1.3115485. http://link.aip.org/link/?APCPCS/1103/117/1. 
  21. Nellis, W.J. (2001). «Metastable Metallic Hydrogen Glass» (en inglés). Lawrence Livermore Preprint UCRL-JC-142360. http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=15005772. 

Referencias


Wikimedia foundation. 2010.

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