A la caza del "unicornio" de la Física; el Hidrógeno metálico

[Machacador]

Hidrógeno metálico, una carrera de alta presión para cazar el 'unicornio' de la física

2020 ha arrancado con una noticia científica que, si se confirma, permitiría un gran salto de la tecnología humana hacia el futuro. Un grupo de investigadores franceses dice haber convertido el gas más sencillo (hidrógeno) en un metal, un logro que esperan con entusiasmo los diseñadores de cohetes de la NASA que planean viajes a otros mundos, los astrónomos teóricos que estudian los planetas gigantes y los ingenieros que buscan el superconductor definitivo, que nos traiga un enorme ahorro de energía global. Tantos son los intereses y la presión que, en las últimas décadas, varias veces un equipo se ha declarado vencedor de esta disputadísima carrera científica —aunque finalmente a ninguno se le ha reconocido el mérito de haber cazado este unicornio de la física: el hidrógeno metálico.

Con esos precedentes, esta vez Nature lo ha anunciado con más prudencia que nunca: el título del artículo científico habla de «evidencia de la probable transición a hidrógeno metal», mientras que en su sección de noticias la prestigiosa revista señala que se ha logrado un «Un hito en la caza del hidrógeno metálico», y a continuación detalla que «un estudio óptico de hidrógeno frío y sólido a una presión extrema indica que los electrones en el material se mueven con libertad, como los de un metal. Esto sugiere que la fase metálica del hidrógeno, ansiada desde hace tanto tiempo, podría haberse logrado». Cada palabra está medida con la misma precisión del experimento anunciado. Y es que estos resultados podrían dar el premio Nobel a uno de los dos equipos que lideran esta carrera, iniciada en 1935.

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Entonces, hace ya más de ocho décadas, Eugene Wigner and Hillard Bell Huntington fueron los primeros en darse cuenta de que eso era posible: calcularon teóricamente que el hidrógeno podría convertirse en un metal, como lo son el resto de elementos de elementos de su grupo de la tabla periódica. Lo único que haría falta, aseguraban, para que el hidrógeno sólido mostrase propiedades metálicas como las de litio, sodio o potasio, era aplicarle la suficiente presión. Aquella predicción no la hicieron unos cualquiera —Wigner ganó luego el Nobel, en 1963, junto con Maria Goeppert-Mayer, por sus teorías para entender el núcleo atómico—; y si "simplemente" hacían falta altas presiones, ¿por qué nadie lo ha logrado aún y por qué los intentos han sido tan polémicos?

MÁS PRESIÓN QUE EN EL NÚCLEO DE LA TIERRA

En primer lugar, Wigner y Huntington se quedaron bastante cortos en sus cálculos sobre la altísima presión necesaria: en 1935 estimaron que sería en torno a los 25 gigapascales —el equivalente a 250.000 veces la presión atmosférica en la superficie de la Tierra—, cuando las moléculas de hidrógeno quedarían tan comprimidas que sus átomos se compactarían formando una red y los electrones pasarían a moverse en libertad entre ellos (en vez de estar atados a un átomo en concreto). Es la estructura típica de un metal, y lo que hace que sean tan buenos conductores de la electricidad. Ahora el consenso es que esa frontera está en los 400 gigapascales —o sea, 4 millones de veces la presión en la superficie terrestre; y eso es incluso superior a la que hay en el núcleo interno de nuestro planeta, donde la presión puede llegar a los 360 gigapascales.

Por tanto, encontrar hidrógeno metálico en la Tierra sería imposible. Las miradas se dirigen otros mundos como Júpiter, Saturno y algunos exoplanetas, que están en su mayor parte formados por gas hidrógeno. Distintas investigaciones indican que en el núcleo de estos gigantes gaseosos el hidrógeno podría estar en forma de metal. Así que producir hidrógeno metálico en el laboratorio daría a los astrofísicos una pista fundamental para saber cómo se forman esos enormes planetas.

Diagrama de Saturno, donde se cree que existe hidrógeno metálico en la sección del núcleo marcada en rosa.

Pero esa sería solo la utilidad más básica del hidrógeno metálico. Durante los más de 80 años transcurridos desde que se predijo su existencia, sus hipotéticas propiedades se han seguido estudiando; y lo más prometedor es que se cree que sería un superconductor a temperatura ambiente, haciendo realidad una de las grandes ambiciones de la ciencia de materiales. El gas más común del universo podría convertirse también en el metal definitivo.

SUPERCONDUCTOR Y COMBUSTIBLE REVOLUCIONARIO

Por si esto fuera poco, poder almacenar el hidrógeno en forma sólida (en mucho menos espacio) lo convertiría en un combustible alternativo aún más útil y, según la NASA, «en un propulsor de cohetes revolucionario», necesario para poder explorar a fondo nuestro sistema solar. Tremendamente ligero y capaz de almacenar una enorme cantidad de energía, el hidrógeno metálico sería el combustible de una nueva era espacial... además de ser el superconductor soñado, y una clave para grandes avances en astrofísica.

Por todas esas fabulosas propiedades, que podrían revolucionar la ciencia y la tecnología, hablamos de él como un unicornio. Y hasta ahora ha sido tan elusivo para los investigadores como para quienes hayan querido buscar un mitológico animal. La gran dificultad inicial es conseguir la altísima presión necesaria: la primera vez que la tecnología humana se acercó a los 400 gigapascales fue en 1998, comprimiendo átomos de hidrógeno entre las puntas de dos diamantes extremadamente afilados. Desde entonces ese ha sido el principal método empleado por los dos grandes rivales en esta carrera científica: el equipo liderado por Paul Loubeyre en los laboratorios de la Comisión para la Energía Atómica (CEA) de Francia, y el que crearon Ranga Dias e Isaac Silvera en la Universidad de Harvard.

A las dificultades para aplicar esas presiones extraterrestres a una diminuta muestra de hidrógeno se añade el enorme reto de diseñar medios técnicos para demostrar que, una vez conseguida esa altísima presión, el hidrógeno se ha transformado en metal. El gran avance de la reciente investigación que Loubeyre acaba de publicar en Nature es que, por primera vez, un grupo de investigación parece haber aportado pruebas de que han creado hidrógeno metálico (tras aplicar una presión de 425 gigapascales). Habrá que esperar, a que otros investigadores sean capaces de replicar sus resultados, para aceptar que el hidrógeno metálico es real y no una criatura mitológica de la ciencia.

Eso mismo creímos que había sucedido en 2017, cuando Dias y Silvera hicieron un anuncio similar en la revista Science, pero semanas después perdieron en el laboratorio su microscópica prueba de hidrógeno metálico (logrado a 495 gigapascales). La competencia entre ambos equipos ha acabado por desmontar los anuncios anteriores y, al mismo tiempo, les obliga a presentar las pruebas más convincentes posibles de que por fin han logrado lo imposible.

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