Casi un siglo después de su teoría, los científicos de Harvard han logrado crear el material más raro - y potencialmente uno de los más valiosos - del planeta.
Imagen de los yunques de diamante comprimiendo el hidrógeno molecular. A mayor presión la muestra se convierte en hidrógeno atómico, como se muestra a la derecha. Crédito: R. Dias y I.F. Silvera
El material - hidrógeno metálico atómico - fue creado por el profesor Thomas D. de Cabot de las Ciencias naturales Isaac Silvera y Ranga Dias de post-doctoral . Además de ayudar a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia, el material es teorizado para tener una amplia gama de aplicaciones, incluyendo como un superconductor de temperatura ambiente. La creación del material raro se describe en un documento del 26 de enero, publicado en Science.
"Este es el Santo Grial de la física de alta presión", dijo Silvera. "Es la primera muestra de hidrógeno metálico en la tierra, por lo que cuando lo est↨ viendo, está viendo algo que nunca ha existido antes."
Para crearlo, Silvera y Dias exprimieron una muestra pequeña de hidrógeno a 495 gigapascal, o más de 71,7 millones de libras-por-pulgada cuadrada - mayor que la presión en el centro de la tierra. En esas presiones extremas, explicó Silvera, el hidrógeno molecular sólido - que consiste en moléculas en los sitios del enrejado del sólido - se descompone, y las moléculas firmemente consolidadas disocian para transformase en hidrógeno atómico, que es un metal.
Mientras que el trabajo ofrece una nueva ventana importante en comprender las propiedades generales del hidrógeno, también ofrece consejos tentadores en nuevos materiales potencialmente revolucionarios.
"Una predicción que es muy importante es que el hidrógeno metálico se predice para ser 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 intenso calor y presión, pero sigue siendo un diamante cuando se elimine la presión y el calor".
La comprensión 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.
"Eso sería revolucionario", dijo. "Tanto como el 15 por ciento de energía se pierde por disipación durante la transmisión, por lo que si pudieras hacer cables de este material y usarlos en la red eléctrica, podría cambiar esa historia".
Fotos de hidrógeno comprimido que hace la transición con el aumento de la presión de molecular transparente a negro molecular a atómico metálico hidrógeno. Los bocetos a continuación muestran un sólido molecular comprimido y luego disociado a hidrógeno atómico. Crédito: R. Dias y I.F. Silvera
Dias dijo que entre los santos griales de la física, un superconductor a temperatura ambiente, podría cambiar radicalmente nuestro sistema de transporte, hacer levitación magnética de trenes de alta velocidad, así como hacer más eficientes los autos eléctricos y mejorar el rendimiento de muchos dispositivos electrónicos.
El material también podría proporcionar grandes mejoras en la producción de energía y almacenamiento - debido a que los superconductores tienen cero energía de resistencia podría almacenarse manteniendo las corrientes en las bobinas superconductoras y utilizarse cuando sea necesario.
Aunque tiene el potencial para transformar la vida en la tierra, 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 propulsor de cohete jamás descubierto.
"Toma una tremenda cantidad de energía para hacer hidrógeno metálico", explicó Silvera. «Y si se convierte de nuevo a hidrógeno molecular, se libera toda esa energía, por lo que sería el más potente propulsor de cohete, conocido por el hombre y podría revolucionar la cohetería».
Los combustibles más poderosos en uso hoy en día se caracterizan por un "impulso específico" - una medida en segundos, de qué tan rápido un propulsor es despedido de la parte posterior de un cohete - de 450 segundos. El impulso específico para el hidrógeno metálico, en comparación, se teoriza en 1.700 segundos.
"Que fácilmente le permitiría explorar los planetas exterior," dijo Silvera. "Sería capaces de poner cohetes en órbita con solamente una etapa, frente a dos y podría enviar hasta cargas útiles más grandes, por lo que podría ser muy importante".
Para crear el nuevo material, Silvera y Dias se han convertido en uno de los materiales más duros en la tierra - diamantes.
Pero en lugar de diamante natural, Silvera y Dias utilizan dos pequeños trozos de diamante sintético cuidadosamente pulido que luego fueron tratados para hacerlos aún más difícil y luego frente a otro en un dispositivo conocido como una célula de yunque de diamante.
"Los diamantes se pulen con polvo de diamante, y eso puede arañar el carbón de la superficie", dijo Silvera. "Cuando miramos el diamante usando microscopía de fuerza atómica, encontramos defectos, que podrían causar que se debiliten y rompan".
La solución, dijo, era utilizar un proceso de grabado iónico para afeitar una capa pequeña - sólo cinco micras de espesor, o aproximadamente una décima parte de un cabello humano - de la superficie del diamante. Los diamantes fueron luego recubiertos con una delgada capa de alúmina para evitar que el hidrógeno se difundiera en su estructura cristalina y fragilizandolos.
Después de más de cuatro décadas de trabajo en hidrógeno metálico, y casi un siglo después de su teoría, ver el material por primera vez, dijo Silvera, fue emocionante.
"Fue muy emocionante", dijo. "Ranga estaba corriendo el experimento, y pensamos que podríamos llegar, pero cuando él me llamó y dijo, 'está brillando la muestra', fui corriendo para allá, y era hidrógeno metálico.
"Inmediatamente le dije que tenemos que hacer las mediciones para confirmar, así que hemos cambiado el laboratorio... y eso es lo que hicimos," dijo. "Es un logro inmenso, y aunque sólo existe en esta célula de yunque de diamante a alta presión, es un descubrimiento muy fundamental y transformador".
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