Tendemos a pensar que las propiedades de los elementos químicos son inmutables: un metal es un metal y un gas un gas. Pero todas esas propiedades son lo que experimentamos en la Tierra. El Universo, por otra parte, está lleno de extremos de temperatura y presión que hacen que los elementos desafíen nuestras expectativas. Plutón está cubierto de hielo de nitrógeno, mientras que algunos exoplanetas son propensos a experimentar lluvias de metal líquido.
Cerca de los núcleos de los gigantes gaseosos, los elementos son comprimidos a presiones inimaginables, capaces de reorganizar los orbitales de los electrones y hacer estragos en los enlaces químicos que vemos en la Tierra. En este punto, según predicen los teóricos, los electrones de hidrógeno podrían ser liberados, convirtiendo el gas en un metal sólido o líquido. Pero a pesar de haber predicho la existencia de hidrógeno metálico hace 80 años por investigadores, el elemento se ha negado obstinadamente a aparecer, incluso después de haber elevado la presión muy por encima del nivel al que se esperaba que apareciera.
El último intento, hecho por tres investigadores con sede en Edimburgo reportó en la revista Nature haber colocado de hidrógeno bajo las más altas presiones logradas hasta la fecha. Las exploraciones del material resultante sugieren que los enlaces químicos que normalmente unen el hidrógeno en una molécula empiezan a descomponerse, anunciando la posible aparición de una forma metálica.
Al igual que otros trabajos de alta presión, los nuevos experimentos se basan en lo que se llama celda de yunque de diamante, que utilizan dos diamantes para aplastar cualquier material colocado entre ellos [como vimos en ¡QFC! en este artículo]. Este hardware puede aplicar una presión descomunal a las muestras. En el caso del experimento presentado aquí, el material prensado llegó a alcanzar presiones de más de 380 GigaPascales, siendo cada GigaPascal aproximadamente equivalente a 10.000 atmósferas de presión. Estas son las presiones más altas alcanzadas con el hidrógeno y entre las presiones más altas jamás reportadas. (Los investigadores probaron tanto el hidrógeno como su isótopo más pesado, el deuterio, así como una mezcla de los dos isótopos).
Normalmente, el hidrógeno viene en forma molecular, con dos átomos que comparten sus electrones. Este enlace evita que los electrones circulen libremente y determina muchas de las propiedades de la molécula. Estas propiedades incluyen cosas como las longitudes de onda de la luz que absorbe a medida que los electrones cambian sus niveles de energía o el enlace entre ellos se extiende. Hacer un metal implica disolver ese enlace y por lo tanto cambiar las propiedades.
Bajo la luz visible, el hidrógeno es normalmente transparente: no absorbe ninguna de estas longitudes de onda. Pero eso cambió bajo una presión extrema, lo que los autores tomaron como un posible signo de que la unión se estaba rompiendo: «La posible aparición de electrones conductores debido a la disociación podría explicar la apariencia muy oscura de la muestra como se ve en la luz transmitida y reflejada en la región visible».
También utilizaron la espectroscopia Raman para observar el comportamiento del enlace, ya que esto puede proporcionar información sobre sus vibraciones. A estas presiones, dos de los tipos de vibración presentes en las moléculas de hidrógeno comienzan a desaparecer, y las intensidades de los modos vibracionales restantes comienzan a disminuir rápidamente.
Dado que todavía existen algunos signos de un enlace, los autores postulan que esto representa una nueva fase de hidrógeno que acompaña al gas y las formas de líquido logradas anteriormente. Debido a algunas otras fases exóticas descubiertas en la búsqueda de hidrógeno metal, ésta se llama fase V. Los autores no creen que represente una forma totalmente metálica, ya que hay algunos signos de que los enlaces entre los átomos de hidrógeno siguen presentes. Pero claramente no son tan robustos como lo eran, por lo que los autores especulan que representa «el comienzo del estado no molecular y metálico predicho del hidrógeno».
Los investigadores también cambiaron la temperatura de la muestra y mostraron que los límites entre esta nueva fase y la fase IV están basados puramente en la presión, no pareciendo importar cuál es la temperatura: la transición tiene lugar a alrededor de 320 GigaPascals. Esto se tomó como prueba de que el aumento de la temperatura podría crear una forma de hidrógeno que es esencialmente un metal líquido.
Los signos que permanecen de un enlace químico, extremadamente débiles, sugieren que sólo requiere un poco más de presión para obtener hidrógeno totalmente metálico. Pero dada la historia del campo, me imagino que muchas personas sólo lo creerán cuando lo vean.
Artículo original publicado por Ars Technica. Revisado y traducido por ¡QFC!
