¿Qué es el hidrógeno
metálico? ¿Cómo puede ser el hidrógeno un metal?
(Por Carlos M. Pina)
(Noviembre 2016)
La
mayoría de los elementos químicos de la tabla periódica se clasifican como
metales. Los metales poseen una serie de propiedades comunes, entre las cuales
destacan su brillo característico, su alta conductividad eléctrica y térmica,
su maleabilidad y su ductilidad. Todas estas propiedades se pueden explicar
teniendo en cuenta el tipo de enlace que une a sus átomos. En los metales, los
núcleos atómicos se encuentran muy próximos unos a otros, rellenando el espacio
de la forma más eficiente posible y permaneciendo unidos entre sí gracias a una
nube o gas de electrones que los envuelven. Los electrones de esa nube, además
de reflejar la luz y proporcionar a los metales su especial brillo, tienen una
gran libertad de movimiento, lo que explica que la electricidad y el calor se
transmitan fácilmente a través de ellos. Además, la relativa debilidad de los
enlaces que forman los metales permite que sus átomos puedan deslizarse unos
respecto a otros. Ello tiene como consecuencia que se puedan deformar y estirar
con facilidad. Un caso extremo de deslizamiento de átomos en un metal lo
encontramos en el mercurio, que a temperatura ambiente no presenta una estructura
cristalina como la mayoría de los metales sino que es líquido.
Como bien nos dice Isaac Asimov en su libro “Cien
preguntas básicas sobre la Ciencia”, para que se produzca el enlace metálico y
existan electrones móviles es necesario que entre el núcleo atómico y los
electrones más externos que se encuentran a su alrededor haya un número de
capas electrónicas que apantallen la atracción electrostática que ejercen los
núcleos (con carga positiva) sobre los electrones (con carga negativa). Estas
capas son más numerosas en los elementos químicos con un alto número atómico y
que, por lo tanto, poseen un gran número de electrones. Este es el caso, por
ejemplo, del potasio, el hierro o el oro. A diferencia de estos átomos, el
átomo de hidrógeno solo tiene un protón y un electrón, que suele compartir con
el electrón de otro átomo de hidrógeno para formar la molécula gaseosa H2.
Al no haber apantallamiento posible, pues no existen capas electrónicas
inferiores, los electrones compartidos están fuertemente ligados a sus núcleos
en la molécula de H2 y, en consecuencia, el hidrógeno no tiene
propiedades metálicas en condiciones ambientales. Sin embargo, se ha especulado
mucho sobre la posibilidad de que el hidrógeno se convierta en un metal bajo
condiciones de elevada presión y temperatura.
En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell
Huntington predijeron que para que el hidrógeno se transforme en un metal
serían necesarias elevadísimas presiones [1]. Se estima que una presión
superior a la que existe en el núcleo terrestre (unos 3,5 millones de
atmósferas) podría obligar a los protones del hidrógeno a empaquetarse de forma
compacta. Solo entonces los electrones quedarían libres y se obtendría
hidrógeno metálico líquido, algo parecido al mercurio. No obstante, el
hidrógeno metálico sería un compuesto bastante diferente de los metales que
conocemos y se presentaría como un estado de la materia degenerado con
propiedades singulares. Así, se piensa que el hidrógeno metálico podría ser
superconductor a temperatura ambiente y comportarse también como un
superfluido. Por otro lado, algunos científicos creen que el hidrógeno metálico
podría permanecer de forma metaestable durante cierto tiempo, es decir sin
transformarse inmediatamente en hidrógeno ordinario una vez eliminada la
presión necesaria para formarlo. Si esto fuera así, el hidrógeno metálico
líquido podría emplearse como un combustible limpio (pues su combustión solo
produciría agua) y con una eficacia energética casi cinco veces superior a los
combustibles H2/O2 empleados actualmente. El empleo de
este nuevo combustible permitiría, entre otras cosas, aumentar la potencia de
las naves espaciales y, por tanto, acortar considerablemente la duración de los
viajes a otros planetas. Este potencial
uso del hidrógeno metálico como combustible, junto con sus propiedades
electrónicas y sus posibles aplicaciones tecnológicas derivadas, han hecho de
su obtención una importante meta científica.
A pesar del gran interés que existe por el hidrógeno
metálico y del gran número de experimentos realizados para obtenerlo, los
resultados han sido hasta la fecha limitados. En 1996, un grupo de científicos
del Lawrence Livermore National Laboratory (EE.UU.) comunicó que había conseguido casualmente detectar durante un
milisegundo la formación de hidrógeno metálico durante un experimento en el que
sometieron hidrógeno molecular líquido a temperaturas de varios miles de grados
y presiones de algo más de un millón de atmósferas [2]. Este resultado fue en
cierto modo sorprendente, pues experimentos previos realizados por otros
investigadores empleando hidrógeno molecular sólido y presiones de hasta 2,5
millones de atmósferas no habían dado lugar a la formación de hidrógeno
metálico.
Desde entonces, los intentos
para obtener hidrógeno metálico han continuado en laboratorios de todo el
mundo. En 2011, científicos del Max Planck Institut (Alemania)
publicaron un artículo en el que afirmaron haber conseguido hidrógeno metálico
a presiones entre 2,6 y 3 millones de atmósferas, pero su hallazgo fue
posteriormente cuestionado por otros investigadores [3,4]. En 2015, un grupo de
investigadores de los Sandia National Laboratories (EE.UU) publicaron
unos prometedores resultados tras llevar a cabo una serie de experimentos
empleando la llamada máquina Z, un moderno generador de ondas
electromagnéticas de alta frecuencia [5]. Estos experimentos se realizaron
aplicando ondas de choque combinadas con enormes campos magnéticos y parece que
han constituido un claro progreso en una búsqueda que dura ya varias décadas.
Sin embargo, y a pesar de los avances realizados en los últimos años, las
condiciones de presión y temperatura para la síntesis del hidrógeno metálico
todavía no están totalmente definidas y la investigación prosigue en la
actualidad.
La búsqueda del hasta ahora esquivo hidrógeno metálico no
se limita a los experimentos de laboratorio, sino que se extiende al espacio.
Desde hace tiempo, los científicos piensan que existen grandes masas de
hidrógeno metálico líquido en el interior de Júpiter y quizá también en algunos
grandes planetas extrasolares. Júpiter es el mayor de los planetas de nuestro
sistema solar y su masa es unas 320 veces mayor que la de la Tierra. Su
atmósfera está formada por 90 % de hidrógeno, 10% de helio y una cantidad inferior al 0.1 %
de metano, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y otros gases. Las capas
interiores del planeta están también mayoritariamente compuestas por hidrógeno
y se cree que su relativamente pequeño núcleo es rocoso. Debido a su enorme
masa, la presión en Júpiter aumenta desde unas dos atmósferas en zonas de su
superficie hasta unos 100 millones de atmósferas en su núcleo. Los científicos
están convencidos de que el aumento de presión en el interior de Júpiter tiene
que resultar inevitablemente en la transformación del hidrógeno molecular en
hidrógeno metálico a una cierta profundidad, si bien todavía no se sabe cuál es
esa profundidad. La confirmación de la existencia de una capa de hidrógeno
metálico y la medida de su espesor resultarán fundamentales para explicar cómo
se genera el enorme campo magnético de Júpiter. Actualmente se piensa que este
campo magnético se debe a la combinación de grandes masas de hidrógeno metálico
(que se comporta como un excelente conductor de electrones) con la rápida rotación
de Júpiter, cuyo día apenas dura 10 horas.
El pasado 4 de julio de 2016 llegó a Júpiter, después de
casi cinco años de viaje, la sonda espacial Juno.
Enviada por la NASA, Juno tiene como
misión principal estudiar la gravedad y los campos magnéticos de Júpiter. Para
ello orbitará alrededor de los polos del planeta hasta febrero de 2018. Durante
las 37 órbitas que realizará enviará constantemente a la Tierra medidas
del campo magnético y de la composición de Júpiter (1). El análisis de esas
medidas permitirá comprender mejor cómo funciona la inmensa dinamo de Júpiter y
qué papel juega el hidrógeno metálico en ella. Mientras tanto, los científicos
seguirán intentando en la Tierra sintetizar esa extraordinaria forma de la
materia.
Notas:
Bibliografía:[1] On the possibility of a metallic
modification of hydrogen (1935) E. Wigner & H.B. Huntington. Journal of Chemical
Physics 3 (12): 764.[2] Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa
(1.4 Mbar) (1996) S.T. Weir, A.C. Mitchell & W. J. Nellis. Physical Review Letters 76: 1860.
[3] Conductive dense hydrogen (2011) M.I. Eremets
& I.A. Troyan. Nature Materials 10,
927–931.
[4] Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (2012) Nellis,
W.J., Arthur L. Ruoff & Isaac F. Silvera. arXiv:1201.0407.
[5] Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (2015) M. D. Knudson1, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson & R. Redmer. Science 348 (6242):1455.
Carlos M. Pina
Doctor en Ciencias Geológicas
Profesor Titular, Universidad Complutense de Madrid
