¿Hidrógeno superconductor?

Hidrógeno

Los físicos se han preguntado desde hace tiempo si el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, podría transformarse en un metal y posiblemente incluso en un superconductor — el esquivo estado en el cual los electrones puden fluir sin resistencia. Han especulado que, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, el hidrógeno podría ser compactado en un metal y posiblemente incluso en un superconductor, pero demostrar esto experimentalmente ha sido difícil. Los investigadores de alta presión, incluyendo a Ho-kwang (Dave) Mao de Carnegie, han modelado ahora tres aleaciones de metal densas en hidrógeno y han encontrado que hay tendencias de presiones y temperaturas asociadas con el estado superconductor — un enorme impulso en la comprensión de cómo podría aprovecharse este abundante material. El estudio se publica en la edición on-line anticipada del 25 de enero de 2010 de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Todos los materiales conocidos tienen que enfriarse por debajo de una temperatura muy baja, conocida como temperatura de transición, haciendo que sean poco prácticos para aplicaciones cotidianas. Los científicos han encontrado que además de la manipulación química para aumentar la temperatura de transición, también puede inducirse superconductividad mediante altas presiones. El modelado teórico es de gran ayuda para definir las características y presiones que pueden llevar a altas temperaturas de transición. En este estudio, los científicos modelaron las propiedades básicas a partir de sus principios fundamentales – el estudio del comportamiento a nivel atómico — de los tres hidruros metálicos bajo ciertos escenarios de composición, presión y temperatura específica. Los hidruros metálicos son compuestos en los que el metal se une a una abundancia de hidrógeno en una estructura de red. Los compuestos fueron el trihidruro de escandio (ScH3), trihidruro de itrio (YH3) y trihidruro de lantano (LaH3).

“Encontramos que la superconductividad aparecía a presiones entre aproximadamente 100 000 a 200 000 veces la presión a nivel del mar (10 a 20 GPa), que es un orden de magnitud menor que las presiones para compuestos relacionados que se unen con cuatro hidrógenos en lugar de tres”, señala Mao, del Laboratorio Geofísico de Carnegie. El trihidruro de lantano se estabilizó aproximadamente a 100 000 atmósferas y a una temperatura de transición de 20 Kelvin, mientras que los otros dos se estabilizaron sobre las 200 000 atmósferas y a temperaturas de 18 K y 40 K para ScH3 y YH3 respectivamente.

Los investigadores también encontraron que los dos compuestos, LaH3 y YH3, tenían distribuciones más similares de energía vibratoria entre sí que ScH3 en el umbral de superconducción y que la temperatura de transición era la mayor en el punto en el que tenía una transformación estructural en los tres. Este resultado sugiere que el estado superconductor procede de la interacción de electrones con la energía vibratoria a través de la red. A presiones mayores que 350 000 atmósferas (35 GPa) desaparecía la superconductividad y los tres compuestos se convertían en metales normales. En el trihidruro de itrio, el estado de superconductividad reaparecía a aproximadamente 500 000 atmósferas, pero no en los otros. Los científicos atribuyen este efecto a su diferente masa.

“El hecho de que los modelos predijeran tendencias distintivas en el comportamiento de estos tres compuestos relacionados a temperaturas y presiones similares es apasionante para el campo”, comentó Mao. “Anteriormente a este estudio, el foco había estado sobre los compuestos con cuatro hidrógenos. El hecho de que la superconductividad se induzca a presiones menores en los trihidruros los hace potencialmente materiales más prometedores con los que trabajar. Los rangos de temperatura y presión son fácilmente obtenibles en el laboratorio y esperamos ver una gran cantidad de experimentos para confirmar estos resultados”. El equipo de Carnegie se ha embarcado en su propio experimento sobre esta clase de trihidruros para comprobar estos modelos.

Los autores del artículo de investigación fueron Duck Young Kim, Ralph H. Scheicher, Ho-kwang Mao, Tae E. Kang, y Rajeev Ahuja. El trabajo estuvo patrocinado por EFree, un Centro de Investigación Avanzado de Energía patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.


Fecha Original: 25 de enero de 2010
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Comments (4)

  1. El artículo es de mucho interés por el aprovechamiento que todos estos avances pueden tener para la Humanidad. Hace tiempo ya que los científicos tratan de estos temasd y, cada día, se obtienen resultados que cada vez son más interesantes.

    Todo el mundo reconoce un metal al verlo, porque los metales tienen propiedades muy caracterísiticas. En superficies lisas reflejan la luz con gran eficacia. que es lo que es lo que les confiere “brillo metálico”, mientras que los no metálicos son muy poco reflectantes y poseen una tonalidad opaca. Los metales son fácilmente defortmables, se dejan extender en láminas y estirar en hilos, mientras que los no metales son quebradizos y se rompen o se pulverizan al golpearlos. Los metales conducen el calor y la electricidad fácilmente, los no metales no.

    ¿De dónde viene la diferencia?

    En la mayoría de los compuestos corrientes, como los que vemos a nuestro alrededor en el mar y en la tierra, las moléculas están compuestas por átomos firmemente unidos por electrones compartidos. Cada electrón está ligado firmemente a un atómo determinado. En estos casos, la sustancia exhibe propiedades no metálicas.

    Según este criterio, el hidrógeno no es un metal. El hidrógeno ordinario está compuesto de moléculas constituidas por dos átomos de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno tiene un sólo electrón, y los dos átomos que componen una molécula comparten los dos electrones a partes iguales. No sobra ningún electrón.

    ¿Que ocurre cuando hay electrones que no están firmemente ligados? onsideremos, por ejemplo, el elemento potasio. Cada átomo de potasio tiene diecinueve electrones distribuidos en cuatro capas. Los únicos electrones que se pueden compartir son los de la capa exterior, de modo que en el caso del potasio cada átomo sólo puede compartir un electrón con vecino. Además, este electrón exterior está especialmente suelto, porque entre él y el núclkeo atómico central que los atrae se interponen otras capas de electrones. Estas capas intermedias aislan al electrón exterior de la atrascción central.

    Los átomos del potasio sólido están enpaquetados muy juntos. Cada átomo de potasio tiene ocho vecinos. Con tantos vecinos y tan cerca, y estándo tan suelto el electrón exterior, es muy fácil que cualquiera de éstos salte de un vecino a otro.

    Son estos electrones sueltos y mópviles los que permiten a los átomos de potasio enpaquetarse tan densamente, conducir fácilmente el calor y la electricidad y deformarse. En resumen, estos electrones sueltos y móviles son los que hacen que el potasio (y otros elementos y mezclas que los poseen) sea metálico.

    Pues bien, recordemos que el hidrógeno , al igual que el potasio, tiene un sólo electrón para compartir con sus vecinos. Pero hay una diferencia. Entre ese único electrón de hidrógeno y el núcleo central no hay electrones aislantes. Por consiguiente, el electrón está demasiado sujeto para ser suficientemente móvil y poder convertir al hidrógeno en un metal u hacer que sus átomos se empaqueten densamente.

    Pero, ¿y si le damos al hidrógeno una pequeña ayuda? ¿Qué ocurre si se le obliga a empaquetarse densamente, no por si propia constitución electrónica, sino por una presión exterior? Supongamos que la presión es suficiente para empujar los átomos de hidrógeno y hacer que cada átomo quede rodeado por ocho, diez o incluso doce vecinos más próximos. Podría ser entonces que el electrón de cada átomo, a pesar de la fortísima atracción del núcleo, empezara a deslizarse de un vecino a otro. Lo que tendríamos sería “idrógeno metálico”.

    Para que el experimento sea posible el hidrógeno tiene que estar en estado casi puro (la presencia de otros átomos estorbaría) y una temperatura no demasiado alta (de lo contrario se expandiría. Por otro lado, tiene que hallarse bajo enormes presiones. Uno de los lugares del Sistema solar donde las condiciones son casi perfectas es el centro de Júpiter, y, no pocos son los que creen que el núcleo de este planeta está compuesto de hidrógeno metálico.

    Una vez que se tiene, la superconducción es cuestión de bajas temperaturas.

    • El Perillas

      Vaya, ahora que lo dices, teniendo en cuenta que probablemente el núcleo de Júpiter sea hidrógeno metálico en su mayor parte…. ¿no sería posible realizar mediciones sobre los campos magnéticos y corrientes eléctricas de la atmósfera para cotejarlos con modelos de superconductividad?….. Siento mucho si se me va la pinza.

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