Una estructura tipo grafeno para el hidrógeno sólido.

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.

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.

Referencia:

Ross T. Howie, Christophe L. Guillaume, Thomas Scheler, Alexander F. Goncharov, & Eugene Gregoryanz (2012). Mixed Molecular and Atomic Phase of Dense Hydrogen Physical Review Letters, 108 (12)