Un equipo internacional de investigadores descubrió que los átomos de hidrógeno en un material de hidruro metálico están mucho más espaciados de lo que se había predicho durante décadas, una característica que podría facilitar la superconductividad a temperatura y presión ambiente o cerca de ella.
Tal material superconductor, que transporta electricidad sin pérdida de energía debido a la resistencia, revolucionaría la eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones industriales y de consumo.
Los científicos realizaron experimentos de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía con muestras de hidruro de circonio-vanadio a presión atmosférica y a temperaturas de -450 grados Fahrenheit 5 K a temperaturas tan altas como -10 grados Fahrenheit 250 K- mucho más altas que las temperaturas donde se espera que ocurra la superconductividad en estas condiciones
Sus hallazgos, publicados en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias detalle las primeras observaciones de tales pequeñas distancias atómicas de hidrógeno-hidrógeno en el hidruro metálico, tan pequeñas como 1.6 angstroms, en comparación con las 2.1 distancias angstrom predichas para estos metales.
Esta disposición interatómica es notablemente prometedora ya que el hidrógeno contenido en los metales afecta sus propiedades electrónicas. Se ha encontrado que otros materiales con disposiciones similares de hidrógeno comienzan a ser superconductores, pero solo a presiones muy altas.
El equipo de investigación incluyó científicos del instituto de investigación Empa Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales, la Universidad de Zurich, la Academia de Ciencias de Polonia, la Universidad de Illinois en Chicago y ORNL.
"Algunos de los superconductores más prometedores de 'alta temperatura', como el decahidruro de lantano, pueden comenzar a superconducirse a aproximadamente 8.0 grados Fahrenheit, pero desafortunadamente también requieren presiones enormes de hasta 22 millones de libras por pulgada cuadrada, o casi 1,400 veces elpresión ejercida por el agua en la parte más profunda del océano más profundo de la Tierra ", dijo Russell J. Hemley, profesor y presidente distinguido en Ciencias Naturales de la Universidad de Illinois en Chicago." Durante décadas, el 'santo grial' para los científicos ha sidoencontrar o fabricar un material que superconduzca a temperatura ambiente y presión atmosférica, lo que permitiría a los ingenieros diseñarlo en sistemas y dispositivos eléctricos convencionales. Tenemos la esperanza de que un metal estable y económico como el hidruro de circonio y vanadio pueda adaptarse para proporcionar talmaterial superconductor "
Los investigadores habían investigado las interacciones de hidrógeno en el hidruro metálico bien estudiado con espectroscopía vibratoria de neutrones inelásticos de alta resolución en la línea de luz VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL. Sin embargo, la señal espectral resultante, incluido un pico prominente de alrededor de 50 milielectronvoltios,no estaba de acuerdo con lo que predijeron los modelos.
El avance en la comprensión se produjo después de que el equipo comenzó a trabajar con el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge para desarrollar una estrategia para evaluar los datos. En ese momento, el OLCF era el hogar de Titan, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, un sistema Cray XK7 queoperado a velocidades de hasta 27 petaflops 27 billones de operaciones de coma flotante por segundo.
"ORNL es el único lugar en el mundo que cuenta con una fuente de neutrones líder mundial y una de las supercomputadoras más rápidas del mundo", dijo Timmy Ramirez-Cuesta, líder del equipo de espectroscopía química de ORNL. "Combinando las capacidades de estas instalacionesnos permitió compilar los datos de espectroscopía de neutrones e idear una forma de calcular el origen de la señal anómala que encontramos. Tomó un conjunto de 3.200 simulaciones individuales, una tarea masiva que ocupó alrededor del 17% de la inmensa capacidad de procesamiento de Titán durante casi una semana.- algo que una computadora convencional hubiera requerido de diez a veinte años para hacer "
Estas simulaciones por computadora, junto con experimentos adicionales que descartan explicaciones alternativas, demostraron de manera concluyente que la intensidad espectral inesperada ocurre solo cuando las distancias entre los átomos de hidrógeno están más cerca de 2.0 angstroms, lo que nunca se había observado en un hidruro metálico a presión y temperatura ambiente.Los hallazgos del equipo representan la primera excepción conocida al criterio Switendick en una aleación bimetálica, una regla que se aplica a los hidruros estables a temperatura y presión ambiente, la distancia de hidrógeno-hidrógeno nunca es inferior a 2.1 angstroms.
"Una pregunta importante es si el efecto observado se limita específicamente al hidruro de circonio y vanadio", dijo Andreas Borgschulte, líder del grupo para espectroscopía de hidrógeno en Empa. "Nuestros cálculos para el material, al excluir el límite de Switendick, fueroncapaz de reproducir el pico, apoyando la noción de que en el hidruro de vanadio, se producen pares de hidrógeno-hidrógeno con distancias inferiores a 2.1 angstroms ".
En futuros experimentos, los investigadores planean agregar más hidrógeno al hidruro de circonio y vanadio a diversas presiones para evaluar el potencial de conductividad eléctrica del material. Supercomputadora Summit de ORNL, que a 200 petaflops es más de 7 veces más rápido que Titán y desde junio de 2018 haha sido el número 1 en la lista TOP500, una clasificación semestral de los sistemas informáticos más rápidos del mundo, podría proporcionar la potencia informática adicional que se necesitará para analizar estos nuevos experimentos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :