Hidrógeno metálico

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El hidrógeno metálico  es un conjunto de estados de fase del hidrógeno , que se encuentra a una presión extremadamente alta y ha sufrido una transición de fase . El hidrógeno metálico es un estado degenerado de la materia y, según algunas suposiciones, puede tener algunas propiedades específicas: superconductividad a alta temperatura y alto calor específico de transición de fase.

Predicho teóricamente en 1935 por Hillard Huntington y Eugene Wigner .

Historia de la investigación

En la década de 1930, el científico británico John Bernal sugirió que el hidrógeno atómico, que consiste en un protón y un electrón y representa un análogo completo de los metales alcalinos , podría ser estable a altas presiones [1] . En 1935, Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington realizaron los cálculos correspondientes. La hipótesis de Bernal se confirmó: según los cálculos, el hidrógeno molecular pasa a la fase metálica atómica a una presión de aproximadamente 250 mil atmósferas (25 GPa ) con un aumento significativo en la densidad [2] . Posteriormente, se incrementó la estimación de la presión requerida para la transición de fase, pero las condiciones de transición aún se consideran potencialmente alcanzables. La predicción de las propiedades del hidrógeno metálico se realiza de forma teórica. Bajo la dirección del académico L.F. Vereshchagin , se obtuvo hidrógeno metálico por primera vez en el mundo, un informe sobre esto fue publicado en 1975 [3] . El experimento se repitió muchas veces, a altas presiones (a 304 GPa) y bajas temperaturas (hasta 4,2 K), el hidrógeno adquirió conductividad eléctrica (la resistencia disminuyó al menos 1 millón de veces), cuando la muestra se calentó y se redujo la presión. , el hidrógeno asumió las mismas propiedades. También hubo informes sobre este tema en 1996, 2008 y 2011, hasta que, en 2017, el profesor Isaac Silvera y su colega Ranga Diaz no lograron una muestra estable a una presión de 5 millones de atmósferas [4] [5] [1] , sin embargo, la cámara, donde se almacenó la muestra, colapsó bajo presión y la muestra se perdió.

Relación con otras áreas de la física

Astrofísica

Se cree que grandes cantidades de hidrógeno metálico están presentes en los núcleos de los planetas gigantes  -Júpiter, Saturno- y grandes exoplanetas . Debido a la compresión gravitatoria, debería haber un núcleo de hidrógeno metálico debajo de la capa de gas.

Propiedades teóricas

Transición a la fase metálica

A medida que la presión externa aumenta a decenas de GPa, el grupo de átomos de hidrógeno comienza a exhibir propiedades metálicas. Los núcleos de hidrógeno ( protones ) se aproximan mucho más cerca que el radio de Bohr , a una distancia comparable a la longitud de onda de los electrones de De Broglie. Por lo tanto, la fuerza de unión del electrón con el núcleo se vuelve no localizada, los electrones se unen débilmente a los protones y forman un gas de electrones libres de la misma manera que en los metales.

Hidrógeno metálico líquido

La fase líquida del hidrógeno metálico difiere de la fase sólida en la ausencia de un orden de largo alcance . Existe una discusión sobre el rango aceptable para la existencia de hidrógeno metálico líquido. A diferencia del helio-4 , que es líquido a temperaturas inferiores a 4,2  K y presión normal debido a la energía de punto cero , una matriz de protones densamente empaquetados tiene una energía de punto cero significativa. En consecuencia, la transición de una fase cristalina a una desordenada se espera incluso a presiones más altas. Un estudio de N. Ashcroft admite una región de hidrógeno metálico líquido a una presión de unos 400 GPa y bajas temperaturas [6] [7] . En otros trabajos, E. Babaev sugiere que el hidrógeno metálico puede ser un líquido superfluido metálico [8] [9] .

Superconductividad

En 1968, Neil Ashcroft sugirió que el hidrógeno metálico podría ser superconductor a temperaturas relativamente altas [10] .

Cálculos más precisos [11] ( N. A. Kudryashov , A. A. Kutukov, E. A. Mazur, JETP Letters, vol. 104, número 7, 2016, p. 488) demostraron que la temperatura crítica del hidrógeno metálico en la fase I41/AMD, la misma estudiada [4] por Ranga Diaz e Isaac Silvera a una presión de 5 millones de atmósferas, da una temperatura de transición superconductora de 215 kelvins , es decir, -58 grados centígrados.

Intentos experimentales de obtener

Experimentos en la década de 1970

Bajo la dirección del académico L.F. Vereshchagin , se obtuvo hidrógeno metálico por primera vez en el mundo, un informe sobre esto fue publicado en 1975 [3] . El experimento se llevó a cabo utilizando yunques de diamante. El experimento se repitió muchas veces, a altas presiones (a 304 GPa) y bajas temperaturas (hasta 4,2 K), el hidrógeno adquirió conductividad eléctrica (la resistencia disminuyó al menos 1 millón de veces), cuando la muestra se calentó y se redujo la presión. , el hidrógeno asumió las mismas propiedades.

Metalización de hidrógeno por compresión de choque en 1996

En 1996, el Laboratorio Nacional de Livermore informó que la investigación había creado las condiciones para la metalización del hidrógeno y proporcionó la primera evidencia de su posible existencia [12] . Durante un corto tiempo (alrededor de 1 ms), se alcanzó una presión de más de 100 GPa (atm.), una temperatura del orden de miles de kelvin y una densidad de la sustancia de unos 600 kg/m 3 [13] . Dado que los experimentos anteriores de compresión de hidrógeno sólido en una celda con yunques de diamante a 250 GPa no dieron resultados, el propósito del experimento no fue obtener hidrógeno metálico, sino solo estudiar la conductividad de la muestra bajo presión. Sin embargo, al llegar a los 140 GPa , la resistencia eléctrica prácticamente desapareció. La banda prohibida del hidrógeno bajo presión fue de 0,3 eV , que resultó comparable con la energía térmica correspondiente a 3000 K, y que indica una transición “semiconductor-metal”.

Investigación desde 1996

Continuaron los intentos de convertir el hidrógeno en un estado metálico mediante compresión estática a bajas temperaturas. A. Ruoff y C. Narayana ( Universidad de Cornell , 1998) [14] , P. Louvier y R. Lethule (2002) se acercaron sucesivamente a las presiones observadas en el centro de la Tierra (324-345 GPa), pero aún no observaron una transición de fase.

Experimentos en 2008

El máximo predicho teóricamente de la curva de fusión en el diagrama de fase, que indica la fase de metal líquido del hidrógeno, fue descubierto experimentalmente por S. Deemyad e I. Silvera [15] . El grupo de M. Eremetz anunció la transición del silano al estado metálico y la manifestación de la superconductividad [16] , pero los resultados no se repitieron [17] [18] .

Experimentos en 2011

En 2011, se informó de la observación de una fase metálica líquida de hidrógeno y deuterio a una presión estática de 260–300 GPa [19] , lo que nuevamente planteó dudas en la comunidad científica [20] .

Experimentos en 2015

El 26 de junio de 2015 se publicó un artículo en la revista Science , que describe un experimento exitoso de un grupo de investigadores de los Laboratorios Nacionales de Sandia (EE. UU.) junto con un grupo de la Universidad de Rostock (Alemania) para comprimir deuterio líquido ( hidrógeno pesado) usando la Z-Machine a un estado que exhibe las propiedades de un metal [21] .

Experimentos en 2016

En julio de 2016 , se informó que físicos de la Universidad de Harvard lograron obtener hidrógeno metálico en el laboratorio. Calentaron hidrógeno líquido con la ayuda de breves destellos de un láser a una temperatura de unos 1900 grados centígrados y lo sometieron a una presión de 1,1 a 1,7 megabares [22] .

Se espera que esta sustancia sea metaestable, es decir, cuando se elimine la presión, seguirá siendo un metal. El experimento de los físicos ayuda a explicar qué procesos pueden ocurrir en las entrañas de los gigantes gaseosos. Los científicos sugieren que, en el futuro, el hidrógeno metálico se puede utilizar como combustible para cohetes o como superconductor capaz de existir a temperatura ambiente [23] .

La comunidad científica se mostró escéptica ante esta noticia [24] , esperando un nuevo experimento [25] .

Experimentos de 2018 con deuterio metálico

En agosto de 2018, los científicos anunciaron la observación de una rápida transición del deuterio líquido a una forma metálica a temperaturas inferiores a 200 K. Se encontró una concordancia notable entre los datos experimentales y las predicciones teóricas basadas en simulaciones utilizando el método cuántico de Monte Carlo , que se considera el más método preciso hasta la fecha. Esto podría ayudar a los investigadores a comprender mejor el interior de los gigantes gaseosos como Júpiter, Saturno y una variedad de exoplanetas fuera del sistema solar [26] [27] .

Experimentos en 2020

En enero de 2020, físicos franceses confirmaron las condiciones para la existencia del hidrógeno metálico, como demostraron sus experimentos, la transición del hidrógeno al estado metálico se produce a una presión de 4,18 millones de atmósferas [28] [29] .

Aplicaciones potenciales

celdas de combustible

Los compuestos metaestables de hidrógeno metálico son prometedores como combustible compacto, eficiente y limpio. Durante la transición del hidrógeno metálico a la fase molecular habitual, se libera 20 veces más energía que durante la combustión de una mezcla de oxígeno e hidrógeno: 216 MJ/kg [30] .

Superconductores de alta temperatura

De acuerdo con muchos modelos teóricos, el hidrógeno metálico debería tener una temperatura crítica muy alta Tc , si esta suposición se confirma experimentalmente, entonces el hidrógeno metálico como superconductor encontrará aplicación en muchas áreas.

En el arte

Notas

  1. ↑ 1 2 Serguéi Stishov . El uso práctico del hidrógeno metálico debe atribuirse a la ciencia ficción
  2. ↑ Wigner, E.; Huntington, HB Sobre la posibilidad de una modificación metálica del hidrógeno //  Journal of Chemical Physics. - 1935. - Vol. 3 , núm. 12 _ — Pág. 764 . -doi : 10.1063/ 1.1749590 .  
  3. ↑ 1 2 Vereshchagin L. F., Yakovlev E. N., Timofeev Yu. A. "Posibilidad de transición del hidrógeno al estado conductor" UFN 117 183–184 (1975) . Consultado el 29 de julio de 2021. Archivado desde el original el 29 de julio de 2021.
  4. ↑ 1 2 Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Observación de la transición Wigner-Huntington a hidrógeno metálico   // Ciencia . — 2017-01-26. — P. eaal1579 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . -doi : 10.1126 / ciencia.aal1579 . Archivado desde el original el 15 de febrero de 2017.
  5. ↑ En, Geología . Los científicos finalmente han creado hidrógeno metálico , Geología IN . Archivado desde el original el 30 de enero de 2017. Consultado el 28 de enero de 2017.
  6. ↑ Ashcroft NW Los líquidos de hidrógeno  //  Journal of Physics: Condensed Matter. - 2000. - vol. 12 , núm. 8A . — P. A129 . -doi : 10.1088 / 0953-8984/12/8A/314 .
  7. ↑ Bonev SA, et al. Un fluido cuántico de hidrógeno metálico sugerido por cálculos de primeros principios   // Naturaleza . - 2004. - vol. 431 , núm. 7009 . — Pág. 669 . -doi : 10.1038/ naturaleza02968 . -arXiv : cond - mat/0410425 .
  8. ↑ Babaev E. , Ashcroft NW Violación de la ley de Londres y cuantización de Onsager-Feynman en superconductores multicomponente  // Nature Physics  . - 2007. - vol. 3 , núm. 8 _ — Pág. 530 . -doi : 10.1038/ nphys646 . -arXiv : 0706.2411 . _
  9. ↑ Babaev E., Sudbø A., Ashcroft NW Un superconductor a una transición de fase superfluida en hidrógeno metálico líquido   // Nature . - 2004. - vol. 431 , núm. 7009 . — Pág. 666 . -doi : 10.1038/ naturaleza02910 . -arXiv : cond - mat/0410408 .
  10. ^ Ashcroft, NW Hidrógeno metálico: ¿un superconductor de alta temperatura? (Inglés)  // Cartas de Revisión Física. - 1968. - vol. 21 , núm. 26 . - Pág. 1748 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.21.1748 .
  11. ↑ NA Kudryashov, AA Kutukov, EA Mazur. Temperatura crítica del hidrógeno metálico a una presión de 500 GPa  (inglés)  // Letras JETP. — 2016-12-14. — vol. 104 , edición. 7 . - P. 460-465 . -doi : 10.1134/ S0021364016190061 . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2017.
  12. ↑ Weir ST, Mitchell AC, Nellis WJ Metalización de hidrógeno molecular fluido a 140 GPa (1,4 Mbar  )  // Cartas de revisión física. - 2004. - vol. 76 , núm. 11 _ - Pág. 1860 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.76.1860 .
  13. ↑ Nellis, W. J. Vidrio de hidrógeno metálico metaestable . Preimpresión de Lawrence Livermore UCRL-JC-142360 OSTI 15005772 (2001). - "conductividad eléctrica mínima de un metal a 140 GPa, 0,6 g/cm3 y 3000 K".
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  22. ↑ Los físicos han recibido una partícula de Júpiter en la Tierra . Consultado el 2 de julio de 2016. Archivado desde el original el 16 de agosto de 2016.
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  25. ↑ There's Reason To Be Skeptical About Metallic Hydrogen Archivado el 20 de febrero de 2017 en Wayback Machine // Forbes 
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  30. ↑ Silvera, Isaac F. Hidrógeno metálico: un propulsor de cohete que cambia el juego . SIMPOSIO DE PRIMAVERA DE NIAC (27 de marzo de 2012). - "La recombinación de átomos de hidrógeno libera 216 MJ/kg. La combustión de hidrógeno/oxígeno en el transbordador libera 10 MJ/kg... densidad alrededor de 12-13 veces". Fecha de acceso: 13 de mayo de 2012. Archivado desde el original el 7 de junio de 2013.

Literatura