Superhidruro de cerio, un compuesto 'prohibido'. Crédito:@ tsarcyanide / MIPT
Investigadores de EE. UU., Rusia, y China han doblado las reglas de la química clásica y sintetizado un compuesto "prohibido" de cerio e hidrógeno:CeH 9 —Que exhibe superconductividad a una presión relativamente baja de 1 millón de atmósferas. El papel salió en Comunicaciones de la naturaleza .
Los superconductores son materiales capaces de conducir una corriente eléctrica sin resistencia alguna. Están detrás de los poderosos electroimanes en los aceleradores de partículas, trenes maglev, Escáneres de resonancia magnética, y teóricamente podría habilitar líneas eléctricas que entreguen electricidad de A a B sin perder los preciosos kilovatios por 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 récord (-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 al hidrógeno a un estado superconductor requeriría una tremenda presión de unos 5 millones de atmósferas; compárese con 3,6 millones de atmósferas en el centro de la Tierra. Comprimido tan fuerte 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:el lantano, azufre, uranio, cerio, etc. — e hidrógeno, con más átomos de este último de lo que permite la química clásica. Por lo tanto, normalmente, podríamos hablar de una sustancia con una fórmula como CeH 2 o CeH 3 . Pero nuestro superhidruro de cerio, CeH 9 - contiene considerablemente más hidrógeno, dotándolo de propiedades interesantes, "explicó un autor del estudio, 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 venir a costa del otro. "Si bien el superhidruro de cerio solo se vuelve superconductor una vez enfriado a -200 grados Celsius, este material es notable porque es estable a una presión de 1 millón de atmósferas, menos de lo que requieren los superhídridos de azufre y lantano sintetizados previamente. Por otra parte, el superhidruro de uranio es estable a una presión aún más baja, pero necesita mucho más enfriamiento, "añadió el coautor Ivan Kruglov, investigador del MIPT y del Instituto de Investigación de Automatización 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 comprimió entre dos diamantes planos para permitir la presión necesaria para la reacción. A medida que la presión crecía hidruros de cerio con una proporción progresivamente mayor de hidrógeno formado en el reactor:CeH 2 , CeH 3 , etc.
Luego, el equipo utilizó el análisis de difracción de rayos X para discernir las posiciones de los átomos de cerio y así revelar indirectamente la estructura del nuevo compuesto. El CeH 9 la red cristalina 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 diferente a los de la familiar H 2 molécula del gas hidrógeno, pero algo más débil. 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 han permitido a los investigadores estudiar los hidruros de un solo metal con minucioso detalle. El siguiente paso es agregar un tercer elemento a la mezcla:los compuestos triples de hidrógeno y dos metales son un territorio inexplorado. Dado que la cantidad de combinaciones posibles es grande, Los investigadores están considerando utilizar algoritmos de IA para seleccionar a los candidatos más prometedores.
