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| Diagrama de fases del hidrógeno |
Estamos tan acostumbrados a ver la posición del hidrógeno en la
tabla periódica en lo más alto de la columna de metales alcalinos
que no nos paramos a pensar en lo que esto significa: ni más ni
menos que debería ser, en determinadas condiciones, un metal. El
hidrógeno metálico consistiría en protones muy próximos entre sí
(por debajo de la distancia de Bohr) con los electrones compartidos
entre todos; si los protones forman una red cristalina hablamos de
hidrógeno metálico sólido y si no existe esta red, de líquido.
Este estado sólo se alcanzaría a muy altas presiones y se cree que
podría existir en el interior de Júpiter, Saturno y algunos
planetas extrasolares recientemente descubiertos.
La búsqueda del hidrógeno metálico comenzó en el siglo XIX. En
1935 los físicos Eugene Wigner y Hillard Huntington predijeron que
el hidrógeno debería convertirse en un sólido metálico a altas
presiones, aproximadamente de 25 GPa (gigapascales), pero
experimentos posteriores no encontraron trazas de una transición
metálica. Experimentos más recientes han empleado presiones mucho
mayores. Destaca el experimento que en 2011 realizaron Mijail Eremets
e Ivan Troyan del Instituto Max Planck (Alemania) y en el que los
autores afirmaron haber encontrado la presencia del hidrógeno
metálico a 260 GPa; estos resultados, sin embargo, no han sido
confirmados y han sido recibidos, en general, con escepticismo.
El reto de conseguir hidrógeno metálico no sólo tiene interés
desde el punto de vista puramente científico, también desde el
técnico ya que sus aplicaciones potenciales son muy interesantes.
Por ejemplo, se cree que el conocimiento de la estructura y
características de este material podría ayudar a conseguir
superconductores a temperatura ambiente o, dicho más
propagandísticamente, la transmisión de energía eléctrica sin
pérdidas.
En este camino hacia el hidrógeno metálico el grupo de
investigadores encabezado por Ross Howie, de la Universidad de
Edimburgo (Reino Unido), ha descubierto una nueva fase de hidrógeno
sólido. Publican sus resultados en Physical Review Letters.
Se conocen tres fases sólidas del hidrógeno que pueden crearse
superenfriando el gas:
- la fase I es una estructura de alto empaquetamiento de moléculas de hidrógeno que conservan la capacidad de rotar libremente
- la fase II es similar a la I pero con menor libertad de rotación, lo que describiríamos como ordenación de la orientación
- la fase III se caracteriza por un debilitamiento de los enlaces H-H por lo que puede considerarse parcialmente atómica, es decir, no completamente molecular.
El punto crítico en el que estas tres fases se intersectan está
muy bien definido pero nadie sabe con seguridad qué ocurre más allá
de la fase III, a presiones más altas. Esta zona es la que han
explorado Howie et al.
Los investigadores sometieron muestras de hidrógeno y deuterio a
presiones de hasta 315 GPa en un yunque de diamante a una temperatura
de 300K. Empleando espectroscopia Raman midieron las variaciones en la frecuencia
del vibrón (vibración intramolecular), esto es, determinaron la
fortaleza de los enlaces H-H y, por tanto, hasta qué punto el
hidrógeno seguía siendo molecular. A 220 GPa detectaron que la
frecuencia del vibrón principal disminuía rápidamente a la vez que
aparecía un segundo vibrón que mantenía la frecuencia original.
¿Cómo interpretar estos resultados? Para eso están los teóricos.
Los investigadores encontraron en la teoría de las fases sólidas
del hidrógeno de Chris Pickard y Richard Needs publicada en 2007
una predicción que encajaba bastante bien con los datos
experimentales: capas de hidrógeno formando anillos irregulares con
la estructura del grafeno, lo que explicaría la baja frecuencia del
vibrón principal, salpicadas con moléculas de hidrógeno diatómico sin
enlazar, que corresponderían a la frecuencia original del vibrón
secundario. Según la teoría, a más altas presiones los anillos se
harían simétricos y adquirirían un comportamiento semimetálico.
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| Estructura propuesta para la fase IV del hidrógeno sólido |
Para producir estos resultados los científicos desarrollaron
métodos para impedir la difusión del hidrógeno en los yunques de
diamante realmente novedosos y que serán de gran utilidad en
posteriores investigaciones.
Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de Química que organiza Educación química.
Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de Química que organiza Educación química.
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