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

No mundo sólido dos materiais, o hidrogênio é um mestre do disfarce. Na pressão sob a qual vivemos todos os dias, ele se liga de formas previsíveis: às vezes como um gás simples, às vezes preso firmemente dentro de metais, ou formando estruturas complexas que armazenam energia. Durante décadas, os cientistas sabiam que, se conseguissem espremer o hidrogênio com força suficiente — pressões encontradas no interior de gigantes gasosos ou geradas em laboratórios especializados — ele se comportaria de maneiras inteiramente novas. Sob tal compressão extrema, os átomos de hidrogênio são forçados a ficar tão próximos uns dos outros que formam redes densas e incomuns, criando uma classe de materiais chamados superhidretos. Esses compostos exóticos são famosos por uma propriedade surpreendente: alguns podem conduzir eletricidade com resistência zero em temperaturas muito mais quentes do que qualquer outro supercondutor conhecido. No entanto, um grande obstáculo sempre esteve no caminho para o uso deles. Esses superhidretos são como cubos de gelo no deserto; no momento em que a pressão esmagadora é liberada, eles derretem de volta em substâncias comuns e menos interessantes. O grande desafio para os pesquisadores tem sido encontrar uma maneira de aprisionar essas estruturas de alta pressão para que possam sobrevlar ao ar livre, tornando suas propriedades notáveis disponíveis para o uso no mundo real.

Uma equipe de pesquisadores na França deu agora um passo significativo para resolver esse problema, criando um novo tipo de superhidreto que se recusa a se desintegrar quando a pressão é retirada. Trabalhando com uma mistura de ítrio, ferro e hidrogênio, eles usaram um dispositivo chamado célula de bigorna de diamante para espremer os materiais. Ao aquecer a amostra com um laser enquanto ela estava sob imensa pressão, eles induziram os átomos a formar uma estrutura específica e altamente ordenada. O resultado foi um composto com a fórmula Y3Fe4H20, um material repleto de átomos de hidrogênio de uma forma nunca vista antes. O que torna essa descoberta verdadeiramente especial é que, quando os cientistas liberaram lentamente a pressão, o material não colapsou. Em vez disso, ele manteve sua forma, permanecendo estável mesmo após retornar à pressão normal da atmosfera. Isso marca a primeira vez que um superhidreto com um conteúdo de hidrogênio tão alto foi recuperado e mantido intacto sob condições cotidianas.

Para entender o que encontraram, a equipe teve que olhar dentro da estrutura cristalina de seu novo material. Usando feixes de raios X poderosos, eles mapearam as posições dos átomos metálicos pesados, ítrio e ferro. Como os átomos de hidrogênio são muito leves para serem vistos claramente por raios X, os pesquisadores usaram simulações computacionais avançadas para descobrir onde o hidrogênio deve estar posicionado para tornar a estrutura estável. A imagem que surgiu foi um design arquitetônico único. Os átomos de ferro estão cada um cercado por oito átomos de hidrogênio, formando unidades moleculares cúbicas. Esses cubos não estão flutuando sozinhos; eles estão ligados entre si pelas arestas, compartilhando átomos de hidrogênio para formar cadeias longas e contínuas. Os átomos de ítrio situam-se nos espaços entre essas cadeias, mantidos no lugar por forças elétricas. Os pesquisadores compararam esse arranjo com a forma como o silício e o oxigênio se ligam em minerais de silicato, uma família comum de rochas, mas aqui as "rochas" são feitas de hidrogênio e metal. Essa estrutura de cadeias de hidrogênio semelhante ao silicato é o que confere ao material sua força e permite que ele sobreviva sem a pressão esmagadora que normalmente o cria.

A jornada para esta descoberta começou com um ponto de partida específico: um composto pré-existente de ítrio e ferro que já havia absorvido algum hidrogênio. A equipe colocou pequenos cristais deste material, juntamente com hidrogênio gasoso extra, entre duas pontas de diamante. Eles aplicaram pressão, atingindo níveis de até 90 gigapascais, o que é mais de um milhão de vezes a pressão da atmosfera ao nível do mar. Nessas profundidades, os átomos são forçados a um abraço apertado. Para ajudar a se rearranjarem na forma mais estável, os cientistas dispararam um laser na amostra, aquecendo-a a temperaturas em torno de 1.500 graus Celsius por um breve momento. Esse calor deu aos átomos a energia necessária para saltarem para suas novas posições. Quando resfriaram a amostra e verificaram os resultados, descobriram que um novo e distinto cristal havia se formado. Ao repetir o experimento várias vezes e usando diferentes pressões, eles confirmaram que essa nova estrutura poderia ser criada a partir de apenas 60 gigapascais.

Uma vez identificado o novo cristal, a equipe observou o que acontecia conforme reduziam lentamente a pressão. Em um cenário típico, um material de alta pressão quebraria instantaneamente em partes mais simples no momento em que o aperto fosse liberado. Mas o Y3Fe4H20 comportou-se de forma diferente. Ele permaneceu intacto, mantendo sua ordem interna complexa conforme a pressão caía até zero. Os cientistas observaram o cristal por mais de 30 horas sob pressão normal, e ele não mostrou sinais de desintegração. Mesmo após três meses, uma amostra do experimento ainda era reconhecível, embora tivesse perdido uma pequena quantidade de seu hidrogênio, fazendo com que seu volume encolhesse ligeiramente. Essa perda controlada e lenta de hidrogênio sugere que, embora o material não seja perfeitamente permanente, é notavelmente estável para uma substância que nasceu em condições tão extremas. Isso prova que o arranjo específico de átomos neste superhidreto é forte o suficiente para resistir ao desejo de reverter para seus componentes mais simples.

Os pesquisadores também observaram de perto como os átomos vibram e interagem dentro desta estrutura. Seus cálculos mostraram que o material é eletricamente condutor, um traço necessário para a supercondutividade, mas descobriram que é improvável que seja um supercondutor de alta temperatura por si só. A forma como os elétrons estão distribuídos sugere que, embora conduza eletricidade, não o faz com a eficiência de resistência zero vista em outros superhidretos famosos como o LaH10. No entanto, a descoberta não é sobre aplicação imediata como um supercondutor, mas sobre a prova de conceito que ela fornece. Ela demonstra que, ao misturar diferentes metais e usar o projeto estrutural correto, os cientistas podem criar materiais ricos em hidrogênio que são metaestáveis — o que significa que podem existir em um estado que não é o mais estável possível, mas estável o suficiente para durar por um longo tempo. Isso abre as portas para a busca de outros compostos semelhantes que possam combinar essa estabilidade com as propriedades de supercondutividade desejadas.

O método usado para encontrar este material oferece um novo caminho para a descoberta. Em vez de depender apenas de previsões computacionais para adivinhar quais combinações de elementos poderiam funcionar, a equipe combinou a síntese experimental com a modelagem computacional direcionada. Eles deixaram o experimento de alta pressão revelar a forma do esqueleto metálico e, em seguida, usaram o computador para preencher os átomos de hidrogênio ausentes. Essa abordagem permitiu que encontrassem uma estrutura que é complexa demais para as buscas computacionais atuais encontrarem por conta própria, já que o número de átomos na unidade de repetição é bastante grande. O sucesso deste método sugere que a melhor maneira de encontrar a próxima geração de materiais exóticos é deixar o ambiente de alta pressão guiar a descoberta, usando computadores para interpretar os resultados em vez de tentar prevê-los do zero.

Olhando para o futuro, a estrutura do Y3Fe4H20 serve como um modelo para pesquisas futuras. Como o material é construído sobre uma estrutura específica de cadeias de hidrogênio interligadas, os cientistas podem agora tentar substituir os átomos de ferro por outros metais, como o níquel, para ver se conseguem ajustar as propriedades. Cálculos iniciais sugerem que tal substituição pode aumentar o potencial de supercondutividade do material. A descoberta deste novo protótipo estrutural muda a conversa de "podemos fazer esses materiais?" para "quais desses materiais podemos manter?". Ao mostrar que um superhidreto pode sobreviver à transição das profundezas da terra para a bancada do laboratório, este trabalho fornece um alvo tangível para a próxima geração da ciência dos materiais, aproximando o sonho dos supercondutores de temperatura ambiente da realidade.