Los metales elementales suelen formar simples, estructuras cristalinas compactas. Aunque el litio (Li) se considera un metal simple típico, su estructura cristalina a presión ambiente y baja temperatura sigue siendo desconocida.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) idearon recientemente una técnica para obtener información estructural de Li en condiciones en las que los métodos cristalográficos tradicionales son insuficientes. Usando esta metodología, un rompecabezas de décadas finalmente puede resolverse.

Li es el metal más ligero y el elemento sólido menos denso en condiciones ambientales. Li y sus compuestos tienen varias aplicaciones industriales, incluyendo vidrio y cerámica resistentes al calor, lubricantes de grasa de litio, aditivos fundentes para hierro, producción de acero y aluminio, baterías de litio y baterías de iones de litio. Estos usos consumen más de las tres cuartas partes de la producción de litio.

"La superconductividad de los metales alcalinos, y Li, es un tema que se ha debatido durante muchos años, "dijo Stanimir Bonev, Autor principal de LLNL de un artículo que aparece en una edición reciente de procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . "Sólo recientemente se observó superconductividad en Li a presión ambiental. Pero para comprender las propiedades superconductoras, es fundamental conocer la estructura cristalina ".

Como complemento a los métodos cristalográficos, el equipo de LLNL propuso medidas de las oscilaciones del momento magnético del cristal en un campo magnético externo. El equipo realizó un análisis teórico que muestra que el espectro de resonancias de oscilación es bastante distintivo para diferentes estructuras de Li. Una comparación con los datos experimentales existentes indica que la fase de baja temperatura del Li es incompatible con la estructura 9R (nueve capas de apilamiento hexagonales) previamente asignada.

Li tiene propiedades muy interesantes a alta presión. Cuando se comprime a baja temperatura, su temperatura crítica superconductora aumenta, de 0,4 milikelvin a presión ambiente a 20 kelvin a alrededor de 500, 000 atmósferas de presión. Luego se transforma en un semiconductor, luego de nuevo a un metal a mayor presión, pero con una estructura muy compleja.

Durante años, Los científicos han intentado comprender el extraño comportamiento del litio. Teóricamente hay varias estructuras que están muy próximas en energía. Para determinar de manera concluyente cuál de ellos tiene la energía más baja absoluta, y es por tanto la estructura de equilibrio, requiere una enorme precisión en los cálculos. Al mismo tiempo, debido a su masa atómica ligera, la dinámica de los átomos de Li es significativa incluso a baja temperatura y esto hace que lograr tal precisión sea aún más difícil.

En el lado experimental, debido a que Li es un elemento de bajo Z, tiene una respuesta relativamente débil a los rayos X y a los neutrones, que son los métodos tradicionales para determinar la estructura cristalina. La transición a la fase de baja temperatura es gradual y también rompe la muestra de monocristal.

En una muestra policristalina, es posible tener una mezcla de varias fases. Como resultado, Las mediciones de dispersión (rayos X y neutrones) pueden y han sido interpretadas de diferentes formas.

"Es difícil identificar de manera concluyente cuál es la estructura solo con estos otros métodos, ", Dijo Bonev." Hay sólo unos pocos picos de difracción bien pronunciados y coinciden con varias estructuras diferentes. Las mediciones, por supuesto, se vuelven más difíciles a alta presión. Con el método que proponemos, estas dificultades se eluden ".

La investigación aparece en la edición del 23 de mayo de PNAS .