La estructura cristalina única del hidrógeno revelada bajo alta presión

El hidrógeno, como primer elemento en formarse, contiene pistas sobre la distribución de la materia en el universo.

Una nueva estructura cristalina (patrón de arreglo atómico) llamada P21/c-8, que se predice que se logrará bajo una presión muy alta, como en las profundidades de la Tierra. (Crédito de la imagen: Ryo Maezono del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón).

Generalmente un gas, el hidrógeno se presenta como un sólido en condiciones de ultra alta presión típicamente presentes en el núcleo de planetas gaseosos masivos. Sin embargo, las estructuras del hidrógeno sólido no se han establecido debido a los desafíos de duplicar tales condiciones en el laboratorio.

Actualmente, un nuevo estudio ofrece información sobre este aspecto utilizando simulaciones y enfoques de ciencia de datos. Los elementos de la tabla periódica pueden aparecer de muchas formas. El carbono, por ejemplo, existe como diamante o grafito según las circunstancias ambientales en el momento de la formación.

Las estructuras cristalinas que se han desarrollado en entornos de ultra alta presión son especialmente vitales, ya que ofrecen pistas sobre la formación de planetas.

Sin embargo, recrear dichos entornos en un laboratorio es difícil, y los científicos de materiales con frecuencia dependen de las predicciones de simulación para detectar la presencia de tales estructuras.

Por cierto, el hidrógeno es particularmente importante para examinar la distribución de la materia en el universo y el comportamiento de los planetas gaseosos masivos. Sin embargo, las estructuras cristalinas de hidrógeno sólido desarrolladas bajo alta presión todavía están en disputa debido a la dificultad de llevar a cabo experimentos con hidrógeno a alta presión.

Además, el patrón estructural está dirigido por un delicado equilibrio de factores que incluyen fuerzas eléctricas sobre los electrones y fluctuaciones impuestas por la mecánica cuántica, y para el hidrógeno, las fluctuaciones son predominantemente grandes, lo que hace que las predicciones de sus fases cristalinas sean aún más desafiantes.

Recientemente, en un estudio conjunto publicado en Revisión física B, un equipo internacional de científicos compuesto por el profesor Ryo Maezono y el profesor asociado Kenta Hongo de Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) manejó este problema utilizando una combinación inteligente de simulaciones de supercomputadoras y ciencia de datos, exponiendo varias estructuras cristalinas para el hidrógeno a bajas temperaturas cercanas a 0 K y altas presiones.

Para las estructuras cristalinas bajo alta presión, hemos podido generar varios patrones candidatos utilizando un método de ciencia de datos reciente conocido como algoritmos genéticos, etc. Pero si estos candidatos son realmente las fases que sobreviven bajo alta presión solo se puede determinar mediante alta simulaciones de resolución.

Ryo Maezono, Profesor, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón

En consecuencia, los investigadores estudiaron varias estructuras posibles que se pueden desarrollar con 2 a 70 átomos de hidrógeno a altas presiones (400-600 GPa) utilizando un método conocido como “optimización de enjambre de partículas” y cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) y proyectaron su estabilidad relativa. utilizando la técnica cuántica de Monte Carlo de primeros principios y correcciones de energía de punto cero DFT.

La búsqueda generó 10 posibles estructuras cristalinas que antes no se encontraban en los experimentos, incluidos nueve cristales moleculares y una estructura mixta, Pbam-8 que abarca capas de cristales atómicos y moleculares que ocurren alternativamente.

Sin embargo, aprendieron que las 10 estructuras revelaron inestabilidades dinámicas estructurales. Para adquirir una estructura estable, los científicos relajaron Pbam-8 en la dirección de la inestabilidad para desarrollar una nueva estructura dinámicamente estable llamada P2.1/c-8.

La nueva estructura es un candidato prometedor para la fase de hidrógeno sólido realizada en condiciones de alta presión, como las que se encuentran en las profundidades de la Tierra.

Dr. Kenta Hongo, Profesor Asociado, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón

Se confirmó que la nueva estructura era más estable que Cmca-12, una estructura que anteriormente se consideró una opción válida en el H2-Fase PRE, una de las seis fases estructurales detectadas para hidrógeno sólido a alta presión (360-495 GPa) que es estable a cerca de 0 K. Los científicos confirmaron aún más sus resultados comparando el rango infrarrojo de las dos estructuras, que mostró una patrón similar observado normalmente en el H2-Fase PRE.

El problema del cristal de hidrógeno es uno de los problemas 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 desafío típico. Con nuestro resultado ahora verificado, podemos continuar nuestra investigación sobre 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.

Ryo Maezono, Profesor, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón

Según los resultados del estudio, podrían ser posibles más descubrimientos emocionantes en el futuro.

Referencia de la revista:

Ichibha, T., et al. (2021) Estructura candidata a la H2-Fase PRE de hidrógeno sólido. Revisión física B. doi.org/10.1103/PhysRevB.104.214111.

Fuente: https://www.jaist.ac.jp/english

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