El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, pero suele encontrarse en forma de gas. El hidrógeno puede existir en muchos estados de la materia. A altas presiones, el hidrógeno puede convertirse en metálico, lo que significa que sus electrones están deslocalizados y se comportan como los de los metales convencionales. El hidrógeno metálico ha eludido a los experimentadores durante décadas; sin embargo, investigaciones recientes de nuestro grupo sugieren que el hidrógeno metálico podría existir a presiones superiores a 13 gigapascales (GPa). Se trata de una presión muy superior a la de cualquier otro sólido conocido hasta ahora, y aproximadamente el doble de la presión a la que el diamante se transforma en grafito en condiciones normales en la Tierra. Entender cómo se comporta este material nos ayudará a comprender mejor cómo se forman los planetas a partir de fragmentos de escombros tras las explosiones de supernovas.
El hidrógeno es un gas, ¿verdad?
La razón de la confusión es que el hidrógeno es un gas a temperatura ambiente. Sin embargo, cuando está más frío, el gas se solidifica en forma líquida, llamada hidrógeno “metálico”, cuando alcanza una temperatura de unos 20 K (-253 grados Celsius; -423 grados Fahrenheit). Si se siguiera enfriando, se llegaría a un punto en el que el líquido estaría tan frío que se convertiría en un sólido, llamado hidrógeno “atómico”, cuando esto ocurre a unos 5 K (-268 grados Celsius; -450 grados Fahrenheit).
Entonces, ¿cómo puede ser un metal?
Es cierto que, en condiciones normales, el hidrógeno no es un metal. Sin embargo, puede convertirse en uno mediante un proceso llamado metalización a alta presión. Este proceso consiste en comprimir el gas hidrógeno a presiones muy elevadas -entre 50 y 70 atmósferas- y a temperaturas de unos 5.000 Kelvin (más de 4.000 grados Fahrenheit). En estas condiciones, la estructura atómica del elemento cambia de una en la que cada protón comparte sus electrones con otros protones a otra en la que cada protón comparte sus electrones con otros protones en diferentes átomos. En otras palabras: ahora ya no hay pares compartidos entre los átomos, sino que cada átomo tiene su propio conjunto de capas de electrones y actúa como una unidad independiente.
En este nuevo estado, a presiones y temperaturas muy elevadas (así como a bajo volumen), el hidrógeno metálico puede conducir la electricidad sin resistencia. Esto significa que podría ser útil para muchas aplicaciones, como los imanes superconductores o los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica, como las baterías o los condensadores, que se cargan más rápido y mantienen su carga durante más tiempo que los que utilizamos actualmente.
¿Hay alguna aplicación en el mundo real?
Al final, el hidrógeno metálico es un descubrimiento científico fundamental sin aplicaciones prácticas. Aunque es fascinante imaginar que esta nueva forma de hidrógeno existe en nuestro mundo, no tiene valor comercial y no se utilizará para fabricar mejores catalizadores o pilas de combustible más eficientes.
De hecho, el hidrógeno metálico no es más que otro recordatorio de que todavía hay muchos misterios en nuestro universo que aún no hemos resuelto, y quizás nunca lo hagamos. Pero si se mira con suficiente atención cualquier misterio, tarde o temprano puede revelar sus secretos para que todos los vean.
¿Qué han hecho?
Has utilizado alta presión para comprimir el hidrógeno.
Has utilizado una célula de yunque de diamante para hacerlo.
Has utilizado un láser para calentar el hidrógeno.
Has utilizado un espectrómetro para estudiar el hidrógeno
¿Podemos hacer hidrógeno metálico a menor presión?
¿Podemos fabricar hidrógeno metálico a presiones más bajas?
En la actualidad no tenemos una forma de fabricar hidrógeno metálico, pero hay algunas formas de reducir la presión necesaria para formarlo. De hecho, los investigadores han fabricado muestras de hidrógeno sólido en condiciones en las que han podido producir estos superconductores hasta 7,5 millones de veces la presión atmosférica. Esto sigue siendo muy alto -no se podría sostener este objeto en la mano sin ser aplastado por su peso-, pero es un comienzo.
¿Cuáles son las implicaciones para nuestra comprensión de los plasmas de hidrógeno en el interior de Júpiter y Saturno?
Entender el interior de Júpiter y Saturno es importante porque contienen componentes clave de nuestro sistema solar. Las atmósferas de estos planetas están compuestas en su mayor parte por hidrógeno, y sus campos magnéticos son generados por el hidrógeno metálico en las profundidades de sus núcleos. El hidrógeno metálico podría ayudarnos a comprender el papel que desempeña el hidrógeno en la formación de los planetas.
Se ha predicho que el hidrógeno metálico existe desde hace mucho tiempo, pero se ha mostrado esquivo porque es muy difícil de crear mediante experimentos. Por eso esta investigación es tan emocionante: Al abrir nuevas vías para la creación de hidrógeno metálico, podemos entender mejor cómo se comporta este material bajo presión y qué implicaciones podría tener su existencia en los exoplanetas, así como en nuestro propio sistema solar.
¿Qué otros materiales existen a presiones extremas?
Además del H^2, hay otros materiales que se forman a presiones extremas. Algunos de ellos tienen incluso propiedades únicas:
- El hexafluoruro de osmio (OsF^6) es un ejemplo de compuesto que se forma a alta presión. Este material está formado por osmio y seis átomos de flúor, que juntos forman el gas rojo-anaranjado. Puede existir en dos fases: una con las moléculas dispuestas en disposición tetraédrica y otra con ellas dispuestas en disposición plana cuadrada. Ambas fases son inestables a presión normal, pero pueden estabilizarse enfriando a muy baja temperatura, donde se vuelven estables.
- El hexafluoruro de iridio (IrF^6) se forma a presiones similares a las del hexafluoruro de osmio, pero tiene propiedades completamente diferentes porque no contiene metales ni elementos de transición.
A presiones muy altas, el hidrógeno puede adoptar nuevos estados de la materia que no esperábamos.
Sabemos que el hidrógeno puede ser un líquido, un gas y un sólido. También sabemos que a altas presiones puede ser un superconductor. Pero ¿sabías que también puede ser metálico? El hidrógeno metálico es un estado de la materia asombroso porque nunca antes se había observado. No se trata de algo exótico que hayamos visto en el laboratorio: ¡es algo nuevo!
El hecho de que el hidrógeno pueda existir en todos estos estados significa que aún quedan muchos descubrimientos por hacer sobre este elemento y su comportamiento en condiciones extremas. No importa lo frío o lo caliente que esté, lo fuerte que sea el campo magnético que lo rodea o la presión que se aplique a su contenedor… ¡todavía hay más estados de la materia esperándonos ahí fuera!
Conclusión
El hidrógeno metálico es un material fascinante y nos entusiasma la enorme cantidad de información que los científicos han obtenido sobre él. Ofrece nuevos conocimientos sobre fenómenos astrofísicos como el interior de Júpiter y Saturno (y quizá incluso de Venus). Este descubrimiento pone de manifiesto lo poco que sabemos sobre el hidrógeno en sus formas más extremas, y podría haber muchas más sorpresas por descubrir.
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