Hidrógeno metálico: El “Santo Grial” de la física de alta presión

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Cuando pensamos en hidrógeno, probablemente lo imaginamos como un gas, o tal vez unido al oxígeno formando una molécula de agua. Sin embargo, nunca se nos pasa por la cabeza que el hidrógeno pudiese tomar la forma y las características de un metal. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, y aunque encabeza la primera columna de la tabla periódica correspondiente a metales alcalinos, sus propiedades químicas y físicas en estado natural son muy diferentes a las de los elementos que lo acompañan, como el sodio o el litio.

La principal característica de los metales es que sus átomos forman fuertes redes cristalinas, quedando algunos de sus electrones no ligados a sus núcleos y libres de moverse alrededor de la red. Esto les da a los metales sus principales características de conductores térmicos y eléctricos. Pero entonces, ¿Cómo se puede convertir un gas como el hidrógeno en un metal?

Recientemente, el Dr. Ranga Dias e Isaac Silvera de la universidad de Harvard sometieron hidrógeno a presiones de alrededor de 450 GPa (más de 4.8 millones de atmósferas) y temperaturas cercanas a los 5.5 K (-268°C), y observaron lo que hasta ahora sólo había sido teorizado en el tablero de los científicos del estado sólido. En estas condiciones, los enlaces entre las moléculas de hidrógeno se rompen y los átomos se condensan para formar lo que parece ser una red cristalina típica de los metales. Dicha transición de fase fue teorizada hace más de 80 años por Nobel de física Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington en lo que se conoció desde ese entonces como “el Santo Grial de la física de altas presiones”. Esta teoría predecía un estado metálico del hidrógeno, aunque con un error en el cálculo en la presión, ya que ellos estimaban una presión de transición de 25 GPa (alrededor de 250.000 atmósferas), significativamente menor a la lograda en Harvard. (Dias, Silvera, 2017)

Las aplicaciones del hidrógeno metálico son inmensamente variadas. Se prevé que de ser metaestable (es decir, que conserve sus propiedades aún después de bajar la presión), el hidrógeno metálico pueda ser usado como combustible de transbordadores espaciales mucho más eficientemente que el actual, y cuyo único residuo sería agua. También se espera poder realizar nuevas formas de fusión nuclear, y más importante aún, se espera que pueda ser un superconductor a temperatura ambiente, lo cual ha sido una meta de los físicos e ingenieros desde hace décadas.

 

Fuentes Consultadas:

  • Dias, R. P., & Silvera, I. F. (2017). Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Science. doi:10.1126/science.aal1579
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