La regla del cúmulo mágico para el almacenamiento de hidrógeno

Se ha sabido desde hace tiempo que cuando dos tipos de átomos distintos se unen, algunos de los cúmulos resultantes son más estables que otros. Físicos de Alemania y Estados Unidos han desarrollado una regla que predice las proporciones de aluminio e hidrógeno que formarán tales cúmulos estables. También dicen que los cúmulos podrían ser empaquetados para formar un nuevo tipo de material que pueda almacenar hidrógeno como fuente de energía alternativa (Phys. Rev. Lett. 98 256802).

Como magia.

Los cúmulos atómicos se forman cuando un número finito de átomos se unen para formar un ensamblado mayor que una molécula típica, pero demasiado pequeña para considerarse sólida. Aunque cualquier número de átomos pueden formar un cúmulo, aquellos con una cierta proporción de elementos, llamados “cúmulos mágicos”, son de forma inherente más estables que otros.

Los cúmulos mágicos son interesantes debido a que pueden usarse como elementos básicos para nuevos materiales, las propiedades de los cuales pueden ser afinadas con precisión ajustando la composición del cúmulo. Pero nadie ha sido capaz de predecir las proporciones mágicas, que previamente se habían determinado mediante ensayo y error.

Ahora, un grupo liderado por Kiran Boggavarapu ode la Universidad de Virginia Commonwealth en los Estados Unidos ha surgido con tal regla que teniendo en cuenta cómo se unen entre sí dos átomos en concreto – aluminio e hidrógeno.

Así como las moléculas, los cúmulos tienen una serie de niveles discretos de energía, y sólo se hacen estables una vez que uno de éstos está completamente lleno de electrones. Por tanto, enfrentado a un cúmulo de átomos de aluminio, un átomo de hidrógeno se unirá de tal forma que tomará o donará un electrón para rellenar un nivel. “Es muy poco usual que el átomo más pequeño – hidrógeno – pueda proporcionar una diferencia tan grandes”, dijo Boggavarapu.

Por ejemplo, si un cúmulo de átomos de aluminio necesita un electrón más para ser estable, un átomo de hidrógeno podría formar un “puente” entre dos átomos de aluminio o formar una tapa uniendo tres átomos de aluminio. Esto permitiría que su electrón se desclocalizara de tal forma que pudiese compartirse en el cúmulo de aluminio. Por otra parte, si un cúmulo tiene demasiado, un hidrógeno podría unirse “radialmente” y retirar el electrón extra del cúmulo. (Ver figura: “Como magia”.)

Usando estas condiciones de compartición de electrones, el grupo de Estados Unidos describió una ecuación que predecía el distinto número de átomos de hidrógeno que podría formar un cúmulo estable de cierto tamaño de átomos de aluminio. Un cúmulo de siente átomos de aluminio, por ejemplo, podría tener un hidrógeno unido radialmente (Al7H), o podría tener dos hidrógenos unidos radialmente y otro unidos en un puente atómico (Al7H3).

Boggavarapu mostró la regla de su grupo a Kit Bowen y sus compañeros de trabajo en la Universidad Johns Hopkins para ver si funcionaba para cúmulos mágicos de verdad usando una técnica llamada espectroscopia fotoelectrónica, en la cual se usa luz ultravioleta para emitir electrones desde un cúmulo de tal forma que su energía de unión pueda determinarse. Hallaron que las energías de unión para distintos cúmulos mágicos encajaban con los tipos de cuerpos que predecía su regla.

Los investigadores ahora quieren ver si los cúmulos mágicos mantendrán sus propiedades cuando interactúen entre sí. Si lo hacen, podrían ser un material prometedor para el almacenamiento de hidrógeno, que es ampliamente considerado como una alternativa limpia a los combustibles fósiles. Boggavarapu dijo a Physics Web que el hidrógeno está lo bastante débilmente unido el los cúmulos mágicos de aluminio-hidrógeno como para permitir su liberación a temperatura y presión ambiental.


Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 5 de julio de 2007
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