Forjan un compuesto de oro sin precedentes en condiciones extremas
Casualmente, y por primera vez, científicos han formado hidruro de oro binario sólido, un compuesto compuesto exclusivamente de átomos de oro e hidrógeno.
El avance podría allanar el camino para el estudio de materiales en condiciones extremas como las que se encuentran dentro de ciertos planetas y estrellas en proceso de fusión nuclear.
Los investigadores, liderados por el SLAC National Accelerator Laboratory de EEUU, estudiaban cuánto tardan los hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno, en formar diamantes bajo presión y calor extremadamente altos.
En sus experimentos en el XFEL (láser de electrones libres de rayos X) europeo en Alemania, el equipo estudió el efecto de esas condiciones extremas en muestras de hidrocarburos con una lámina de oro incrustada, diseñada para absorber los rayos X y calentar los hidrocarburos de baja absorción. Para su sorpresa, no solo observaron la formación de diamantes, sino que también descubrieron la formación de hidruro de oro.
"Fue inesperado, ya que el oro suele ser químicamente muy aburrido y poco reactivo; por eso lo utilizamos como absorbente de rayos X en estos experimentos", afirmó en un comunicado Mungo Frost, científico del SLAC que dirigió el estudio.
Estos resultados sugieren que existe el potencial de descubrir una gran cantidad de química nueva en condiciones extremas, donde los efectos de la temperatura y la presión empiezan a competir con la química convencional, lo que permite la formación de estos compuestos exóticos.
Los resultados, publicados en Angewandte Chemie International Edition, ofrecen una visión de cómo cambian las reglas de la química en condiciones extremas, como las que se encuentran en el interior de ciertos planetas o estrellas en fusión de hidrógeno.
En su experimento, los investigadores primero sometieron las muestras de hidrocarburos a presiones superiores a las del manto terrestre utilizando una celda de yunque de diamante. Después, calentaron las muestras a más de 1.770 °C golpeándolas repetidamente con pulsos de rayos X del XFEL europeo.
El equipo registró y analizó cómo se dispersaban los rayos X de las muestras, lo que les permitió determinar las transformaciones estructurales internas.
Como era de esperar, los patrones de dispersión registrados mostraron que los átomos de carbono habían formado una estructura de diamante. Sin embargo, el equipo también observó señales inesperadas debidas a la reacción de los átomos de hidrógeno con la lámina de oro para formar hidruro de oro. En las condiciones extremas creadas en el estudio, los investigadores descubrieron que el hidrógeno se encontraba en un estado denso, "superiónico", donde los átomos de hidrógeno fluían libremente a través de la red atómica rígida del oro, aumentando la conductividad del hidruro de oro.
El hidrógeno, el elemento más ligero de la tabla periódica, es difícil de estudiar con rayos X porque dispersa los rayos X débilmente. Sin embargo, en este caso, el hidrógeno superiónico interactuó con los átomos de oro, mucho más pesados, y el equipo pudo observar el impacto del hidrógeno en la forma en que la red del oro dispersaba los rayos X.
"Podemos usar la red del oro como testigo de lo que hace el hidrógeno", afirmó Mungo.
El hidruro de oro ofrece una forma de estudiar el hidrógeno atómico denso en condiciones que también podrían aplicarse a otras situaciones a las que no se puede acceder directamente mediante experimentos. Por ejemplo, el hidrógeno denso compone el interior de ciertos planetas, por lo que estudiarlo en el laboratorio podría enseñarnos más sobre esos mundos alienígenas.
También podría proporcionar nuevos conocimientos sobre los procesos de fusión nuclear en estrellas como nuestro Sol y ayudar al desarrollo de tecnología para aprovechar la energía de fusión aquí en la Tierra.
Además de sentar las bases para los estudios del hidrógeno denso, la investigación también ofrece una vía para explorar nuevas propiedades químicas. Se descubrió que el oro, comúnmente considerado un metal no reactivo, forma un hidruro estable a presiones y temperaturas extremadamente altas.
AL ENFRIARSE SE SEPARAN
De hecho, parece ser estable solo en esas condiciones extremas, ya que al enfriarse, el oro y el hidrógeno se separan. Las simulaciones también mostraron que podría caber más hidrógeno en la red del oro a mayor presión.
El marco de simulación también podría extenderse más allá del hidruro de oro.
"Es importante que podamos producir y modelar experimentalmente estos estados en estas condiciones extremas", afirmó Siegfried Glenzer, director de la División de Densidad de Alta Energía y profesor de ciencia fotónica en SLAC, e investigador principal del estudio. "Estas herramientas de simulación podrían aplicarse para modelar otras propiedades de materiales exóticos en condiciones extremas".
