El escurridizo caso del hidrógeno metálico

Fue el cristalógrafo John D. Bernal el científico que lanzó la hipótesis, casi predicción, de que todos los materiales a la suficiente presión se volverían metálicos. La ciencia es muchas veces averiguar lo que no se puede observar directamente y buscar uno o varios métodos indirectos de hacerlo.

En el caso de la predicción de Bernal hay varias formas de enfocarlo, una es mediante modelos teóricos, otra mediante experimentos y otra mediante la observación en sitios donde se de el fenómeno en cuestión. En realidad estos tres enfoques se complementan. La pregunta replanteada sería, si hasta el elemento más ligero a suficiente presión se vuelve metálico y conductor.

En el caso del hidrógeno, fue Eugene Wigner junto con Hillard Bel Huntington en 1935 los que predijeron que a unos 25 giga pascales (GPa), unas 250.000 atmósferas, el hidrógeno molecular rompería sus enlaces y se convertiría en una especie de fluido de núcleos y electrones compartidos en movimiento, un fluido metálico como el mercurio. Hay modelos teóricos basados en la mecánica cuántica que predicen cuando se produciría este cambio a metal pero necesitan de la confirmación de pruebas reales.

Ahí es donde entra Júpiter y la sonda Juno de la NASA/JPL. Júpiter es un planeta que en su mayor parte compuesto de hidrógeno y algo de helio y otros elementos en mucha menor cantidad. Es el mayor planeta de sistema solar un poco más grande que Saturno pero le triplica en masa. En su interior, se dan unas presiones y temperaturas prodigiosas, impracticables a nuestra escala humana y experimental.

capas jupiter en estudio por la nave juno nucleo difuso hidrogeno metalico dissolved core metallic hydrogen

Modelo propuesto del interior de Júpiter. Júpiter es un planeta compuesto principalmente por Hidrógeno 88–92% y Helio 8–12% en volumen o 75% y 24% respectivamente en masa. El otro 1% son otros elementos y moléculas. La capa más exterior de la atmósfera contiene cristales de amoniaco. Otros componentes son metano, agua, compuestos de silicio y carbono, etano, sulfuro de hidrógeno, neón, oxygeno, fosfano y azufre. La atmósfera se hunde hasta los 1000 km. (blanco) donde aproximadamente se produce la transición a hidrógeno molecular líquido (amarillo) que continua hasta unos 15,000 km. más o menos según los modelos teóricos. En este punto o antes con la suficiente presión se empiezan a disociar las moléculas de hidrógeno y los electrones fluyen libremente entre una sopa de núcleos de hidrógeno cada vez más densa (rosa). Las corrientes electrónicas que se dan en esta capa generarían el gigantesco campo magnético del planeta. A partir de esta profundidad el hidrógeno cada vez más comprimido forma una capa de hidrógeno metálico (azul). Los elementos más pesados estarían en el núcleo más o menos definido según unos modelos, difuso según otros más actuales o inexistente mezclados con el hidrógeno metálico hiperpresurizado e hipercaliente.

Para eso ha ido la nave espacial Juno a orbitar Júpiter, para escudriñar que puede pasar en su hiperpresivo interior y ver a que hipótesis sobre su formación apuntala. La Juno lleva instrumentos capaces de medir las diferencias de intensidad del campo gravitatorio con mucha precisión y así poder mapear su gravedad. Dicho ‘mapa gravitatorio’ indirectamente puede dar mucha información sobre su composición interior y de los fenómenos que esto genera, como el descomunal campo magnético de este planeta. En la tierra esa información indirecta la ofrecen las ondas sísmicas. En el caso de Juno también dará cuenta, de si su núcleo es sólido, premisa de algunas teorías de formación de planetas, difuso como parecen indicar los últimos datos, o si sencillamente no hay un núcleo sólido. Bien porque se disolvió o porque Júpiter no se formó por acreción de gas a un corazón de hielo y rocas, a grosso modo.

Es un ejemplo de sencillez hecha complejidad. Aunque la temperatura en su superficie gaseosa es de unos -150 grados C. a medida que profundizamos hacia el interior las temperaturas y presiones aumentan hasta que se forzaría al hidrógeno molecular al estado líquido, formando un inmenso océano molecular. En este mar de hidrógeno parece que podría darse la lluvia de helio y neón que iría retirando estos dos elementos de las capas altas de Júpiter.

Según continuamos nuestra inmersión a temperaturas y presiones cada vez mayores se alcanzaría un punto donde se rompen los enlaces moleculares y el hidrógeno se vuelve atómico y con propiedades metálicas. Esto pasaría aproximadamente a un 20% de la profundidad del planeta. Es en esta capa con fuertes corrientes electrónicas donde se originaría el gigantesco y potentísimo campo magnético joviano. Más abajo todo es incertidumbre y a eso va Juno como hemos dicho.

Estas temperaturas y presiones son difíciles de simular experimentalmente y así poder observar las propiedades del hidrógeno en su predicho estado metálico. En la década de los 60s Neil W. Ashcroft de la universidad Cornell University calculó que el hidrógeno metálico conduciría la electricidad como un superconductor, y de obtenerlo, si se pudiese estabilizar, podría revolucionar el transporte de electricidad. La promesa de la superconductividad estable a temperaturas terráqueas siempre ha estado ahí, y por eso se ha intentado producir las condiciones necesarias para estudiar el hidrógeno metálico.

La primera prueba de su existencia, se logró experimentalmente con un cañón enorme de gases. La pólvora detonada mediante un pistón comprime un gas (H2) que a su vez abre una válvula que lanza otro proyectil más pequeño hacia una cámara que genera una onda de choque. La onda reverbera entre dos placas de zafiro donde está encapsulado el hidrógeno enfriado a 20K lo que comprime y calienta la muestra mucho. En función de la carga de pólvora detonada se produce un aumento equis de presión y temperatura y se mide la conductividad de la muestra. Los resultados publicados se pueden ver explicados para el gran público en un número de Scientific American de mayo de 2000.

Midiendo la conductividad de la muestra de hidrógeno vieron que entre 93 y 120 gigaPascales (entre 900,000 y 1,120,000 atmósferas), la resistencia del material pasaba de ser la de un aislante a la de un semicondutor. Y a unos 140 GPa la resistencia caía drásticamente convirtiéndose en un conductor metálico y esto continuaba siendo así a presiones mayores de 180 GPa (1.8 millones de atmósferas). Esto tanto para hidrógeno como para deuterio. Era la primera vez que se observaban las propiedades del primer elemento en su forma metálica.

Más recientemente, en 2015, se buscó obtener hidrógeno metálico mediante pulsos magnéticos de alta intensidad en la enorme máquina Z del Sandia National Laboratory. En este caso han observado deuterio metálico a presiones tales de 300 GPa y temperaturas de entre 1000 y 2000 K durante una décima parte de un microsegundo. Para hacernos una idea en el núcleo de la tierra se alcanzan presiones de 360 GPa, unos 3.65 millones de atmósferas. En este caso se midió la transición al estado metálico por el cambio en la reflectividad, no en la conductividad.

Otro grupo ha publicado un trabajo en 2017 informando de la obtención de hidrógeno metálico. Esta vez mediante compresión de una muestra de hidrógeno enfriado en un yunque de diamante superpulido y recubierto de alúmina para resistir las altísimas presiones aplicadas, sin partir. Dicen haber obtenido hidrógeno metálico sólido a presiones de casi 500 GPa, como las del centro de la tierra y bajas temperaturas, comprobando mediante medidas de reflectividad de la muestra. No midiendo directamente la conductividad o la resistencia sino midiendo lo que refleja en cada momento. Según el experimento la reflectividad pasó con la presión a ser la de un sólido opaco a de repente tener una alta reflectividad mostrando el estado de transición de hidrogeno líquido a hidrógeno metálico sólido.

Los resultados de este estudio han sido muy criticados con posturas opuestas y con desaparición del supuesto hidrógeno metálico por rotura del yunque. El tiempo dirá quién tiene la razón en la búsqueda del material más preciado, el hidrógeno en forma de metal estable, si es que esto es posible. El tiempo nos dirá, pero casi seguro de Juno, antes nos da otro tipo de respuestas y nos abre más incógnitas.

REFERENCIAS

Metallization and electrical conductivity of hydrogen in Jupiter. Nellis WJ, Weir ST, Mitchell AC. Science. 1996 Aug 16;273(5277):936-8.

Official Full-Text Paper (PDF): Making Metallic Hydrogen

Conductivity and dissociation in liquid metallic hydrogen and implications for planetary interiors. Zaghoo M, Silvera I.F. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Oct 24. pii: 201707918. doi: 10.1073/pnas.1707918114.

Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium. M. D. Knudson, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke1, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson1, R. Redmer. Science 26 Jun 2015: Vol. 348, Issue 6242, pp. 1455-1460 DOI: 10.1126/science.aaa7471

Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Lyman Laboratory of Physics, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.Science 26 Jan 2017:eaal1579 DOI: 10.1126/science.aal1579

Comment on “Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen”. Alexander F. Goncharov, Viktor V. Struzhkin. Science 25 Aug 2017: Vol. 357, Issue 6353, eaam9736 DOI: 10.1126/science.aam9736
First Sample of Solid Metallic Hydrogen Lost

Estimating Jupiter’s Gravity Field Using Juno Measurements, Trajectory Estimation Analysis, and a Flow Model Optimization.Eli Galanti1, Daniele Durante, Stefano Finocchiaro, Luciano Iess, and Yohai KaspiPublished 2017 June 8 • © 2017. The American Astronomical Society.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión /  Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión /  Cambiar )

Conectando a %s