Crean hidrógeno metálico atómico, «el santo grial de la física de alta presión»

Casi un siglo después de su teoría, científicos de la Universidad de Harvard, en Cambridge, Massachusetts, Estados Unidos, han logrado crear el material más raro --y potencialmente uno de los más valiosos-- del planeta: hidrógeno metálico atómico. Creado por el profesor de Ciencias Naturales Isaac Silvera y el investigador postdoctoral Ranga Dias, el material puede ayudar a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia y puede tener una amplia gama de aplicaciones, como ser un superconductor a temperatura ambiente.

«Este es el santo grial de la física de alta presión. Es la primera muestra de hidrógeno metálico en la Tierra, así que cuando lo estás viendo, estás mirando algo que nunca ha existido antes», describe Silvera en un artículo con los detalles del trabajo que se publica este jueves en ‘Science’. Para crearlo, Silvera y Dias estrujaron una pequeña muestra de hidrógeno a 495 gigapascales, o más de 71,7 millones de libras por pulgada cuadrada, una presión mayor a la del centro de la Tierra.

A esas presiones extremas, explica Silvera, el hidrógeno molecular sólido --que consiste en moléculas en sitios entramados del sólido-- se descompone y las moléculas fuertemente unidas se disocian para transformarse en hidrógeno atómico, que es un metal. El trabajo ofrece una importante nueva ventana en la comprensión de las características generales del hidrógeno y ofrece sugerencias tentadoras hacia nuevos materiales potencialmente revolucionarios.

«Una predicción que es muy importante es que el hidrógeno metálico se prevé que sea meta-estable --dice Silvera--. Eso significa que si se quita la presión, se mantendrá metálico, similar a la forma en que se forman los diamantes a partir del grafito bajo calor intenso y presión, pero sigue siendo un diamante cuando se elimina la presión y el calor».

A su juicio, entender si el material es estable es importante porque las predicciones sugieren que el hidrógeno metálico podría actuar como un superconductor a temperatura ambiente. «Eso sería revolucionario -plantea--. El 15 por ciento de energía se pierde por disipación durante la transmisión, por lo que si se pudiera hacer cables de este material y usarlos en la red eléctrica, sería posible cambiar esa historia».

Dias señala que entre los santos griales de la física, un superconductor a temperatura ambiente podría cambiar radicalmente nuestro sistema de transporte, haciendo posible la levitación magnética de trenes de alta velocidad, además de hacer que los coches eléctricos sean más eficientes y mejorar el rendimiento de muchos dispositivos electrónicos.

El material también podría proporcionar mejoras importantes en la producción y el almacenamiento de energía: como los superconductores tienen una energía de resistencia cero, podrían almacenarse manteniendo las corrientes en bobinas superconductoras y luego utilizarse cuando fuera necesario. Aunque tiene el potencial de transformar la vida en la Tierra, el hidrógeno metálico también podría jugar un papel clave para ayudar a los seres humanos a explorar los confines del espacio, como el propulsor de cohetes más poderoso descubierto.

«Se necesita una tremenda cantidad de energía para producir hidrógeno metálico --revela Silvera--. Y si lo conviertes de nuevo en hidrógeno molecular, toda esa energía se libera, por lo que lo convertiría en el propulsor más potente del cohete conocido por el hombre, y podría revolucionar la ingeniería espacial».

Los combustibles más potentes en uso hoy en día se caracterizan por un «impulso específico» --una medida, en segundos, de cómo de rápido se dispara un propulsor desde la parte trasera de un cohete-- de 450 segundos. En comparación, se teoriza que el impulso específico para el hidrógeno metálico es de 1.700 segundos. «Eso permitiría explorar fácilmente los planetas exteriores --plantea Silvera--. Seríamos capaces de poner los cohetes en órbita con sólo una etapa frente a dos y enviar cargas útiles más grandes, por lo que podría ser muy importante».

Para crear el nuevo material, Silvera y Dias recurrieron a uno de los materiales más duros de la Tierra: el diamante. Pero en lugar de diamante natural, los autores utilizaron dos pequeños trozos de diamante sintético cuidadosamente pulido que luego trataron para hacerlos aún más resistentes y, posteriormente, montaron uno frente al otro en un dispositivo conocido como celda de yunque de diamante.

«Los diamantes se pulen con polvo de diamante y eso puede sacar el carbono de la superficie --explica Silvera--. Cuando miramos el diamante usando microscopía de fuerza atómica, encontramos defectos, que podrían hacer que se debiliten y se rompan». Así, señala que la solución fue utilizar un proceso de grabado iónico reactivo para hacer una lámina minúscula -de sólo cinco micras de espesor, o aproximadamente una décima parte de un cabello humano-- de la superficie del diamante.

Entonces, los investigadores recubrieron los diamantes con una fina capa de alúmina para evitar que el hidrógeno se difundiera en su estructura cristalina y los fragilizara. Después de más de cuatro décadas de trabajo sobre el hidrógeno metálico y casi un siglo después de su primera teoría, ver el material por primera vez, según relata Silvera, «fue emocionante».

EP