Investigadores de los EE. UU., Rusia y China han infringido las reglas de la química clásica y sintetizado un compuesto “prohibido” de cerio e hidrógeno, CeH9, que exhibe superconductividad a una presión relativamente baja de 1 millón de atmósferas.
Los superconductores son materiales capaces de conducir una corriente eléctrica sin resistencia alguna.
Están detrás de los potentes electroimanes en aceleradores de partículas, trenes de levitación magnética, escáneres de resonancia magnética y, en teoría, podrían habilitar líneas eléctricas que transporten electricidad de A a B sin perder preciosos kilovatios debido a la disipación térmica.
Desafortunadamente, los superconductores conocidos hoy en día solo pueden funcionar a temperaturas muy bajas (por debajo de -138 grados Celsius), y el último registro (-13 grados Celsius) requiere presiones extremadamente altas de casi 2 millones de atmósferas.
Esto limita el alcance de sus posibles aplicaciones y encarece las tecnologías superconductoras disponibles, ya que mantener sus condiciones operativas bastante extremas es un desafío.
Las predicciones teóricas sugieren que el hidrógeno es un candidato potencial para la superconductividad a temperatura ambiente.
Sin embargo, inducir el hidrógeno a un estado superconductor llevaría una presión tremenda de unos 5 millones de atmósferas; compare con las 3,6 millones de atmósferas en el centro de la Tierra.
Comprimido tan fuerte, se convertiría en un metal, pero eso anularía el propósito de operar en condiciones estándar.
“La alternativa a la metalización del hidrógeno es la síntesis de los llamados compuestos “prohibidos” de algún elemento (lantano, azufre, uranio, cerio, etc.) e hidrógeno, con más átomos de este último de lo que permite la química clásica.
“Normalmente, podríamos hablar de una sustancia con una fórmula como CeH2 o CeH3.
Pero nuestro superhidruro de cerio, CeH9, contiene considerablemente más hidrógeno, dotándolo de propiedades excitantes “, explicó un autor del estudio, el profesor Artem R. Oganov de Skoltech y el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT).
A medida que los científicos de materiales persiguen la superconductividad a temperaturas más altas y presiones más bajas, uno puede tener el costo del otro.
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Por otro lado, el superhidruro de uranio es estable a una presión aún más baja, pero necesita un enfriamiento considerablemente mayor”, agregó el coautor Ivan Kruglov, investigador del MIPT y el Instituto de Investigación Automática de Dukhov.
Para sintetizar su superconductor “imposible”, los científicos colocaron una muestra microscópica del cerio metálico en una celda de yunque de diamante, junto con una sustancia química que libera hidrógeno cuando se calienta, en este caso con un láser.
La muestra de cerio se exprimió entre dos diamantes planos para permitir la presión necesaria para la reacción.
A medida que crecía la presión, se formaron hidruros de cerio con una proporción progresivamente mayor de hidrógeno en el reactor: CeH2, CeH3, etc.
Luego, el equipo utilizó el análisis de difracción de rayos X para discernir las posiciones de los átomos de cerio y, de este modo, revelar indirectamente la estructura del nuevo compuesto.
La red cristalina CeH9 está compuesta por jaulas de 29 átomos de hidrógeno en una formación casi esférica.
Los átomos en cada jaula se mantienen unidos mediante enlaces covalentes, no muy diferentes de los de la conocida molécula H2 del gas hidrógeno, pero algo más débiles.
Cada jaula proporciona una cavidad que alberga un átomo de cerio.
El advenimiento de USPEX, desarrollado por Skoltech y Artem Oganov de MIPT, y otros algoritmos informáticos que predicen la estructura cristalina de compuestos “prohibidos” nunca antes escuchados, ha permitido a los investigadores estudiar los hidruros de un solo metal con minuciosidad.
El siguiente paso es agregar un tercer elemento a la mezcla: los compuestos triples de hidrógeno y dos metales diferentes son territorio desconocido.
Dado que la cantidad de combinaciones posibles es grande, los investigadores están considerando usar algoritmos de inteligencia artificial para seleccionar a los candidatos más prometedores.
Fuente: Noticias de la Ciencia
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