Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

En el mundo sólido de los materiales, el hidrógeno es un maestro del disfraz. A la presión bajo la que vivimos cada día, se une de formas predecibles: a veces como un gas simple, otras veces atrapado fuertemente dentro de metales, o formando estructuras complejas que almacenan energía. Durante décadas, los científicos supieron que si podían comprimir el hidrógeno con la suficiente fuerza —presiones que se encuentran en lo profundo de los planetas gigantes o generadas en laboratorios especializados—, este se comportaría de formas completamente nuevas. Bajo tal compresión extrema, los átomos de hidrógeno son forzados a estar tan cerca unos de otros que forman redes densas e inusuales, creando una clase de materiales llamados superhidruros. Estos compuestos exóticos son famosos por una propiedad sorprendente: algunos pueden conducir electricidad con resistencia cero a temperaturas mucho más cálidas que cualquier otro superconductor conocido. Sin embargo, un gran obstáculo siempre se ha interpuesto en su uso. Estos superhidruros son como cubos de hielo en un desierto; en el momento en que se libera la presión aplastante, se derriten de nuevo en sustancias ordinarias y menos interesantes. El gran desafío para los investigadores ha sido encontrar una manera de atrapar estas estructuras de alta presión para que puedan sobrevivir al aire libre, haciendo que sus notables propiedades estén disponibles para el uso en el mundo real.

Un equipo de investigadores en Francia ha dado ahora un paso significativo hacia la resolución de este problema mediante la creación de un nuevo tipo de superhidruro que se niega a desmoronarse cuando se suelta la presión. Trabajando con una mezcla de ytrio, hierro e hidrógeno, utilizaron un dispositivo llamado celda de yunque de diamante para comprimir los materiales. Al calentar la muestra con un láser mientras estaba bajo una presión inmensa, persuadieron a los átomos para que formaran una estructura específica y altamente ordenada. El resultado fue un compuesto con la fórmula Y3Fe4H20, un material repleto de átomos de hidrógeno de una manera nunca antes vista. Lo que hace que este descubrimiento sea verdaderamente especial es que, cuando los científicos liberaron la presión lentamente, el material no colapsó. En cambio, mantuvo su forma, permaneciendo estable incluso después de regresar a la presión normal de la atmósfera. Esto marca la primera vez que un superhidruro con un contenido de hidrógeno tan alto ha sido recuperado y mantenido intacto bajo condiciones cotidianas.

Para entender lo que encontraron, el equipo tuvo que mirar dentro de la estructura cristalina de su nuevo material. Utilizando potentes haces de rayos X, mapearon las posiciones de los átomos metálicos pesados, el ytrio y el hierro. Debido a que los átomos de hidrógeno son demasiado ligeros para ser vistos claramente por los rayos X, los investigadores utilizaron simulaciones computacionales avanzadas para determinar dónde debía estar sentado el hidrógeno para que la estructura fuera estable. La imagen que surgió fue un diseño arquitectónico único. Los átomos de hierro están rodeados por ocho átomos de hidrógeno cada uno, formando unidades moleculares de tipo cúbico. Estos cubos no flotan solos; están unidos entre sí por sus aristas, compartiendo átomos de hidrógeno para formar cadenas largas y continuas. Los átomos de ytrio se asientan en los espacios entre estas cadenas, mantenidos en su lugar por fuerzas eléctricas. Los investigadores compararon este arreglo con la forma en que el silicio y el oxígeno se unen en los minerales de silicato, una familia común de rocas, pero aquí las "roces" están hechas de hidrógeno y metal. Este armazón de cadenas de hidrógeno similar al silicato es lo que le otorga al material su fuerza y le permite sobrevivir sin la presión aplastante que normalmente lo crea.

El viaje hacia este descubrimiento comenzó con un punto de partida específico: un compuesto preexistente de ytrio y hierro que ya había absorbido algo de hidrógeno. El equipo colocó diminutos cristales de este material, junto con hidrógeno gaseoso adicional, entre dos puntas de diamante. Aplicaron presión, alcanzando niveles de hasta 90 gigapascales, que es más de un millón de veces la presión de la atmósfera al nivel del mar. A estas profundidades, los átomos son forzados a un abrazo estrecho. Para ayudarlos a reorganizarse en la forma más estable, los científicos dispararon un láser a la muestra, calentándola a temperaturas de alrededor de 1,500 grados Celsius durante un breve momento. Este calor dio a los átomos la energía necesaria para saltar a sus nuevas posiciones. Cuando enfriaron la muestra y comprobaron los resultados, encontraron que se había formado un nuevo cristal distinto. Al repetir el experimento múltiples veces y utilizando diferentes presiones, confirmaron que esta nueva estructura podía crearse partiendo desde tan solo 60 gigapascales.

Una vez identificado el nuevo cristal, el equipo observó qué sucedía a medida que reducían la presión lentamente. En un escenario típico, un material de alta presión se desintegraría instantáneamente en piezas más simples en el momento en que se libera la compresión. Pero el Y3Fe4H20 se comportó de manera diferente. Permaneció intacto, manteniendo su complejo orden interno a medida que la presión descendía hasta cero. Los científicos observaron el cristal durante más de 30 horas a presión normal, y no mostró signos de desmoronarse. Incluso después de tres meses, una muestra del experimento seguía siendo reconocible, aunque había perdido una pequeña cantidad de su hidrógeno, lo que causó que su volumen se redujera ligeramente. Esta pérdida de hidrógeno lenta y controlada sugiere que, si bien el material no es perfectamente permanente, es notablemente estable para una sustancia que nació en condiciones tan extremas. Demuestra que la disposición específica de los átomos en este superhidruro es lo suficientemente fuerte como para resistir el impulso de revertir a sus componentes más simples.

Los investigadores también examinaron de cerca cómo vibran y cómo interactúan los átomos dentro de esta estructura. Sus cálculos mostraron que el material es conductor de electricidad, un rasgo necesario para la superconductividad, pero encontraron que es poco probable que sea un superconductor de alta temperatura por sí mismo. La forma en que se distribuyen los electrones sugiere que, si bien conduce la electricidad, no lo hace con la eficiencia de resistencia cero vista en otros famosos superhidruros como el LaH10. Sin embargo, el descubrimiento no trata sobre la aplicación inmediata como un superconductor, sino sobre la prueba de concepto que proporciona. Demuestra que, al mezclar diferentes metales y utilizar el plano estructural adecuado, los científicos pueden crear materiales ricos en hidrógeno que son metaestables, es decir, que pueden existir en un estado que no es el más estable posible, pero que es lo suficientemente estable como para durar mucho tiempo. Esto abre la puerta a la búsqueda de otros compuestos similares que puedan combinar esta estabilidad con las propiedades superconductoras deseadas.

El método utilizado para encontrar este material ofrece un nuevo camino para el descubrimiento. En lugar de depender únicamente de las predicciones computacionales para adivinar qué combinaciones de elementos podrían funcionar, el equipo combinó la síntesis experimental con el modelado computacional dirigido. Dejaron que el experimento de alta presión revelara la forma del esqueleto metálico y luego usaron la computadora para llenar los átomos de hidrógeno faltantes. Este enfoque les permitió encontrar una estructura que es demasiado compleja para que las búsquedas computacionales actuales la encuentren por sí solas, ya que el número de átomos en la unidad repetitiva es bastante grande. El éxito de este método sugiere que la mejor manera de encontrar la próxima generación de materiales exóticos es dejar que el entorno de alta presión guíe el descubrimiento, utilizando las computadoras para interpretar los resultados en lugar de intentar predecirlos desde cero.

Mirando hacia el futuro, la estructura del Y3Fe4H20 sirve como plantilla para la investigación futura. Debido a que el material está construido sobre un marco específico de cadenas de hidrógeno vinculadas, los científicos ahora pueden intentar sustituir los átomos de hierro por otros metales, como el níquel, para ver si pueden ajustar las propiedades. Los cálculos preliminares sugieren que tal sustitución podría aumentar el potencial de superconductividad del material. El descubrimiento de este nuevo prototipo estructural cambia la conversación de "¿podemos fabricar estos materiales?" a "¿cuáles de estos materiales podemos conservar?". Al demostrar que un superhidruro puede sobrevivir a la transición desde las profundidades de la tierra hasta el banco del laboratorio, este trabajo proporciona un objetivo tangible para la próxima generación de la ciencia de materiales, acercando el sueño de los superconductores de temperatura ambiente a la realidad.