Los elementos de la tabla periódica pueden adoptar múltiples formas. El carbono, por ejemplo, existe como diamante o grafito según las condiciones ambientales en el momento de la formación. Las estructuras cristalinas que se han formado en entornos de ultra alta presión son particularmente importantesya que proporcionan pistas sobre la formación de planetas. Sin embargo, recrear tales entornos en un laboratorio es difícil, y los científicos de materiales a menudo confían en predicciones de simulación para identificar la existencia de tales estructuras.
En este sentido, el hidrógeno es especialmente importante para analizar la distribución de la materia en el universo y el comportamiento de los planetas gaseosos gigantes. Sin embargo, las estructuras cristalinas de hidrógeno sólido formadas bajo alta presión aún están en discusión debido a la dificultad para realizar experimentos.Además, el patrón estructural está gobernado 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 particularmente grandes, lo que hace que las predicciones de sus fases cristalinas sean uniformes.más difícil.
Recientemente, en un estudio colaborativo publicado en Revisión física B, un equipo global de investigadores en el que participaron el profesor Ryo Maezono y el profesor asociado Kenta Hongo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón abordó este problema utilizando una ingeniosa combinación de simulaciones de supercomputadoras y ciencia de datos, revelando varias estructuras cristalinas para el hidrógeno a bajas temperaturas cercanas a 0K y altas presiones.
"Para 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 mediantesimulaciones de alta resolución", explica el Prof. Maezono.
En consecuencia, el equipo buscó varias estructuras posibles que se pueden formar con 2 a 70 átomos de hidrógeno a altas presiones de 400 a 600 gigapascales GPa usando una técnica llamada "optimización de enjambre de partículas" y cálculos de teoría funcional de densidad DFT yestimó su estabilidad relativa utilizando el método cuántico Monte Carlo de primeros principios y las correcciones de energía de punto cero DFT.
La búsqueda produjo 10 estructuras cristalinas posibles que no se habían encontrado previamente mediante experimentos, incluidos nueve cristales moleculares y una estructura mixta, Pbam-8 que comprende capas de cristales atómicos y moleculares que aparecen alternativamente. Sin embargo, descubrieron que las 10 estructuras mostraban una dinámica estructuralinestabilidades Para obtener una estructura estable, el equipo relajó Pbam-8 en la dirección de la inestabilidad para formar una nueva estructura dinámicamente estable llamada P21/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", dice el Dr. Hongo.
Se encontró que la nueva estructura era más estable que Cmca-12, una estructura que previamente se encontró que era una candidata válida en la H2Fase -PRE, una de las seis fases estructurales identificadas para el hidrógeno sólido a alta presión 360 a 495 GPa que es estable cerca de 0 K. El equipo validó aún más sus resultados comparando el espectro infrarrojo de las dos estructuras, quereveló un patrón similar típicamente observado para el H2-fase PRE.
Si bien este es un hallazgo interesante, el profesor Maezono explica la importancia de sus resultados: "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 muchoy 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".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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