Investigadores de Estados Unidos, Rusia y China han doblado las reglas de la química clásica y sintetizado un compuesto "prohibido" de cerio e hidrógeno, el 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 de los aceleradores de partículas, trenes maglev, escáneres de RMN, y teóricamente podrían habilitar líneas eléctricas que entregan electricidad de A a B sin perder los preciosos kilovatios a la disipación térmica.
Desafortunadamente, los superconductores conocidos hoy en día sólo pueden trabajar a temperaturas muy bajas (por debajo de -138 grados centígrados), y el último récord (-13 grados centígrados) 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 de funcionamiento bastante extremas es un reto.
Las predicciones teóricas sugieren que el hidrógeno es un candidato potencial para la superconductividad a temperatura ambiente. Sin embargo, la inducción de hidrógeno a un estado superconductivo requeriría una tremenda presión de unos 5 millones de atmósferas; compárese con 3,6 millones de atmósferas en el centro de la Tierra. Comprimido con tanta fuerza, se convertiría en un metal, pero eso frustraría 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 estos últimos de los que la química clásica permite. Por lo tanto, normalmente podríamos hablar de una sustancia con una fórmula como CeH2 o CeH3. Pero nuestro superhidruro de cerio, el CeH9, contiene considerablemente más hidrógeno, lo que le confiere propiedades emocionantes", 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 llegar a costa del otro. "Mientras que el superhidruro de cerio sólo se convierte en superconductor una vez enfriado a -200 grados centígrados, este material es notable porque es estable a una presión de 1 millón de atmósferas, menos de lo que requieren los superhidruros de azufre y lantano previamente sintetizados. Por otro lado, el superhidruro de uranio es estable a una presión aún menor, pero necesita mucho más enfriamiento", agregó el coautor Ivan Kruglov, investigador del MIPT y del Instituto de Investigación de Automática de Dukhov.
Para sintetizar su superconductor "imposible", los científicos colocaron una muestra microscópica del metal cerio en una celda de yunque de diamante, junto con un químico que libera hidrógeno cuando se calienta, en este caso con un láser. La muestra de cerio fue exprimida entre dos diamantes planos para permitir la presión necesaria para la reacción. A medida que la presión aumentaba, se formaban en el reactor hidruros de cerio con una proporción cada vez mayor de hidrógeno: CeH2, CeH3, etc.
El equipo usó el análisis de difracción de rayos X para discernir las posiciones de los átomos de cerio y así indirectamente revelar 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 de cada jaula se mantienen unidos por enlaces covalentes, no muy diferentes a 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 del MIPT- y otros algoritmos informáticos que predicen la estructura cristalina de compuestos "prohibidos" nunca antes vistos ha permitido a los investigadores estudiar los hidruros monometálicos en detalle. El siguiente paso es añadir un tercer elemento a la mezcla: Los compuestos triples de hidrógeno y dos metales diferentes son territorio desconocido. Dado que el número de combinaciones posibles es grande, los investigadores están considerando el uso de algoritmos de IA para seleccionar a los candidatos más prometedores.
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