18.01.2022 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Un nuevo estudio muestra una nueva estructura cristalina para el hidrógeno a alta presión

Los investigadores identifican una posible fase cristalina para el hidrógeno solidificado a presiones extremas utilizando la ciencia de los datos y las simulaciones con superordenadores

Los elementos de la tabla periódica pueden adoptar múltiples formas. El carbono, por ejemplo, existe como diamante o grafito, dependiendo de las condiciones ambientales en el momento de su formación. Las estructuras cristalinas que se han formado en entornos de altísima presión son especialmente importantes, ya que proporcionan pistas sobre la formación de los planetas. Sin embargo, recrear estos entornos en un laboratorio es difícil, y los científicos de materiales suelen confiar en las predicciones de simulación para identificar la existencia de dichas estructuras.

En este sentido, el hidrógeno es especialmente importante para analizar la distribución de la materia en el universo y el comportamiento de los planetas gigantes de gas. Sin embargo, las estructuras cristalinas del hidrógeno sólido formado a alta presión siguen siendo objeto de controversia debido a la dificultad de realizar experimentos con hidrógeno a alta presión. Además, el patrón estructural se rige por un delicado equilibrio de factores que incluyen las fuerzas eléctricas sobre los electrones y las fluctuaciones impuestas por la mecánica cuántica, y en el caso del hidrógeno, las fluctuaciones son especialmente grandes, lo que dificulta aún más las predicciones de sus fases cristalinas.

En un estudio conjunto publicado en Physical Review B, un equipo mundial de investigadores en el que participan el profesor Ryo Maezono y el profesor asociado Kenta Hongo, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón, ha abordado este problema mediante una ingeniosa combinación de simulaciones con superordenadores y ciencia de datos, revelando varias estructuras cristalinas para el hidrógeno a bajas temperaturas cercanas a 0 K y a altas presiones.

"Para las estructuras cristalinas a alta presión, hemos podido generar varios patrones candidatos utilizando un método reciente de ciencia de datos conocido como los algoritmos genéticos, etc. Pero si estos candidatos son realmente las fases que sobreviven bajo alta presión sólo puede determinarse mediante simulaciones de alta resolución", explica el profesor Maezono.

En consecuencia, el equipo buscó varias estructuras posibles que pueden formarse con 2 a 70 átomos de hidrógeno a altas presiones de 400 a 600 gigapascales (GPa) utilizando una técnica llamada "optimización de enjambre de partículas" y cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) y estimó su estabilidad relativa utilizando el método Monte Carlo cuántico de primeros principios y correcciones de energía de punto cero de DFT.

La búsqueda dio lugar a 10 posibles estructuras cristalinas que no se habían encontrado anteriormente mediante experimentos, incluyendo nueve cristales moleculares y una estructura mixta, Pbam-8, que comprende capas de cristales atómicos y moleculares que aparecen alternativamente. Sin embargo, descubrieron que las 10 estructuras mostraban inestabilidades dinámicas estructurales. Para obtener una estructura estable, el equipo relajó el Pbam-8 en la dirección de la inestabilidad para formar una nueva estructura dinámicamente estable llamada P21/c-8. "La nueva estructura es un candidato prometedor para la fase sólida de hidrógeno realizada en condiciones de alta presión como la que se encuentra en las profundidades de la Tierra", afirma el Dr. Hongo.

La nueva estructura resultó ser más estable que la Cmca-12, una estructura que anteriormente se consideró un candidato válido en la fase H2-PRE, una de las seis fases estructurales identificadas para el hidrógeno sólido a alta presión (360 a 495 GPa) que es estable a cerca de 0 K. El equipo validó además sus resultados comparando el espectro infrarrojo de las dos estructuras, que reveló un patrón similar observado típicamente para la fase H2-PRE.

Aunque se trata de un hallazgo interesante, el profesor Maezono explica la importancia de sus resultados: "El problema de los cristales de hidrógeno es uno de los más desafiantes e intratables en la ciencia de los materiales. Dependiendo del tipo de aproximación utilizada, las predicciones pueden variar mucho y evitar las aproximaciones es un reto típico. Con nuestro resultado ahora verificado, podemos continuar nuestra investigación en otros problemas de predicción de estructuras, como el de los compuestos de silicio y magnesio, que tienen un impacto significativo en la ciencia terrestre y planetaria".

Parece que en el horizonte nos esperan más descubrimientos emocionantes de este tipo.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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