Avance en la Física de Alta Presión: Científicos de Harvard anuncian que han creado hidrógeno metálico, que hasta ahora había sido sólo una teoría

Cerca  de un siglo después de que se teorizó su existencia, científicos de Harvard informan que han tenido éxito en crear el material más raro en el planeta, el que eventualmente podría convertirse en uno de los más valiosos.

Haciendo Hidrógeno Metálico en Harvard. En el microscopio se ve como un material brillante. Ver video. Vídeo: Dirigido y editado por Ned Brown, Fotografía por Jae-Kai Wang, Personal / Harvard.
El Profesor Isaac Silvera de la Cátedra Thomas D. Cabot de Ciencias Naturales de la Universidad de Harvard y el becario postdoctoral Ranga Dias han buscado durante mucho tiempo el material, llamado   hidrógeno metálico atómico. Además de ayudar a los científicos a responder algunas preguntas fundamentales acerca de la naturaleza de la materia, el material  tiene teoricamente una amplia gama de aplicaciones, destacándose entre ellas, como un superconductor a temperatura ambiente. Su investigación se describe en un artículo publicado en la revista Science.
“Este es el Santo Grial de la Física de Alta Presión”, dijo Silvera respecto de la búsqueda para encontrar el material. “Es la primera y única muestra de hidrógeno metálico en la Tierra, así que cuando usted  la mira, está mirando algo que nunca ha existido antes.”
En sus experimentos, Silvera y Dias comprimieron una pequeña muestra de hidrógeno a 495 gigapascal (GPa), o más de 71,7 millones de libras por pulgada cuadrada, que es mayor que la presión en el centro de la Tierra. A tales presiones extremas, explicó Silvera, el hidrógeno molecular sólido, que consiste en  moléculas ubicadas en los sitios de la red del sólido, se rompe, y las moléculas fuertemente unidas se disocian  transformándose en hidrógeno atómico, que es un metal.
Mientras que el trabajo crea una ventana importante en la comprensión de las propiedades generales del hidrógeno,  también ofrece pistas prometedoras en nuevos materiales potencialmente revolucionarios.
Una predicción que es muy importante del hidrógeno metálico es que se prevé que sea meta-estable”, dijo Silvera. “Eso significa que si se quita la presión, se mantendrá metálico, similar a la forma en que los diamantes se forman a partir de grafito bajo un intenso calor y presión, pero siguen siendo  diamantes cuando la presión y el calor se retiran.”
El conocimiento de si el material es estable es importante, dijo Silvera, porque las predicciones sugieren que el  hidrógeno metálico podría actuar como un superconductor a temperatura ambiente.
“Un 15 por ciento de la energía se pierde debido a la disipación durante su transmisión”, dijo, “por lo que si usted pudiese hacer hilos de este material y utilizarlos en la red eléctrica,  podría cambiar la historia.”
Un superconductor a temperatura ambiente, dijo Dias, podría cambiar nuestro sistema de transporte, haciendo que la levitación magnética de trenes de alta velocidad sea posible, así como la fabricación de automóviles eléctricos más eficientes y mejorar el rendimiento de muchos dispositivos electrónicos. El material también podría proporcionar importantes mejoras en la producción y almacenamiento de energía. Debido a que los superconductores tienen resistencia cero, bobinas superconductoras podrían utilizarse para almacenar el exceso de energía, que podría ser utilizado siempre que sea necesario.

Imágenes microscópicas de las etapas en la creación de hidrógeno molecular atómico: hidrógeno molecular transparente (izquierda) a aproximadamente 200 GPa, que se convierte en hidrógeno molecular negro (centro), y finalmente  hidrógeno metálico atómico reflectante a 495 GPa. Cortesía de Isaac Silvera.
El hidrógeno metálico también podría desempeñar un papel clave en ayudar a los seres humanos a explorar los confines del espacio, como el más potente propelente para  cohetes.
Se necesita una enorme cantidad de energía para producir hidrógeno metálico,” explicó Silvera. “Y si se convierte de nuevo a hidrógeno molecular, toda esa energía se libera, por lo que lo convertiría en el más potente propelente de cohete conocido por el hombre, y podría revolucionar la cohetería.”
Los más poderosos combustibles en uso hoy en día se caracterizan por un “impulso específico” (una medida, en segundos, de la rapidez con un propelente es disparado desde la parte posterior de un cohete) de 450 segundos. El impulso específico para el hidrógeno metálico, por comparación, se teoriza de ser de 1.700 segundos.
“Eso permitiría fácilmente explorar los planetas exteriores”, dijo Silvera. “Nos gustaría ser capaces de poner en órbita cargas con cohetes de sólo una etapa, frente a los actuales de dos, y podrían enviarse  cargas útiles más grandes, por lo que podría ser muy importante.”
En sus experimentos, Silvera y Dias recurrieron a uno de los materiales más duros en la Tierra, el diamante. Pero en lugar de diamante natural, Silvera y Dias utilizaron dos pequeños trozos de diamante sintético cuidadosamente pulidos y los trataron para que a su vez fueran más fuertes. Luego los montaron uno frente al otro en un dispositivo conocido como una célula de yunque de diamante.
“Los diamantes se pulen con polvo de diamante,  que puede arañar  carbono de la superficie”, dijo Silvera. “Cuando nos fijamos en el diamante mediante microscopía de fuerza atómica, encontramos defectos, lo que podría provocar que se debilitasen o se rompiesen.”
La solución, dijo, fue utilizar un proceso de grabado por iones reactivos para “afeitar” una pequeña capa – de sólo cinco micras de espesor, o alrededor de una décima parte del grosor de un cabello humano – de la superficie del diamante. A continuación, el diamante se revistió con una capa fina de alúmina para evitar que el hidrógeno se difunda en la estructura cristalina y produzca fragilización.
Después de más de cuatro décadas de trabajo en hidrógeno metálico, y casi un siglo después que se teorizó, era emocionante ver los resultados, dijo Silvera.
“Fue muy emocionante”, dijo. “Ranga fue el encargado de  realizar  el experimento, y pensamos que podríamos llegar allí, pero cuando me llamó y dijo:” La muestra está brillando, ‘Fui corriendo allí abajo, y era hidrógeno metálico. “
“Inmediatamente me dijo que tenemos que hacer las mediciones para confirmar que, por lo que reordenado el laboratorio … y eso es lo que hicimos.”
Fuente: HARVARDgazette.
Artículo original:  Advance in high-pressure physics. Harvard scientists announce they’ve created metallic hydrogen, which has been just a theory“.
Trabajo de Investigación: Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen, Science DOI: 10.1126/science.eaal1579,   Isaac Silvera, Ranga Dias .
Material relacionado:
El Hidrógeno líquido metálico en el interior de Júpiter:
Podcasts:
Videos: