O hidrogénio não é um metal na Terra, mas os cientistas continuam a tentar criar hidrogénio metálico sob alta pressão para desbloquear um novo supercondutor.
O que é brilhante e conduz eletricidade? A resposta geralmente é um metal.
Depois, há o hidrogênio, um gás incolor e inodoro. Pelo menos à primeira vista, não é um elemento que sugira propriedades metálicas. No entanto, desde o final do século XIX, os físicos teorizaram que o hidrogénio metálico poderia ser criado sob certas condições.
Essas teorias ganharam força, em parte, porque o hidrogênio metálico é encontrado em todo o sistema solar. Acredita-se que o interior de Júpiter, por exemplo, seja hidrogênio metálico – a intensa pressão dentro do gigante gasoso comprime o gás em um metal supercondutor que cria o forte campo magnético do planeta. Mas na Terra, as dificuldades experimentais tornaram o hidrogénio metálico indescritível durante quase um século.
Em 1935, os físicos Eugene Wigner, líder em física do estado sólido, e Hillard Bell Huntington publicaram um artigo no The Journal of Chemical Physics propondo que o hidrogênio poderia ser metálico sob altas pressões. Eles levantaram a hipótese de que isso ocorreria a 25 gigapascais (GPa) – 250.000 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.
“Na realidade, é muito, muito mais alto”, disse Eugene Gregoryanz, professor de física da Universidade de Edimburgo que estuda condições extremas, ao WordsSideKick.com. As previsões de Wigner e Huntington servem como um limite inferior da alta pressão necessária para atingir um estado metálico, disse ele.
Ao longo dos anos, vários grupos de investigação afirmaram ter criado hidrogénio metálico, apenas para verem os seus resultados explicados por medições deficientes. Um estudo de 2017 da Universidade de Harvard publicado na revista Science afirmou ter produzido hidrogénio metálico a 495 GPa, mas desencadeou cepticismo e debate devido a preocupações sobre a forma como calibraram as medições de pressão, os modelos com os quais compararam as suas observações e a falta de reprodutibilidade. “As únicas medidas apresentadas foram quatro fotos tiradas de [um] iPhone”, disse Gregoryanz.
Um estudo de 2019 publicado na revista Nature Physics relatou hidrogênio semimetálico a 350 GPa.
“Nós o comprimimos enormemente, quase 20 vezes em volume”, disse o coautor do estudo Mikhail Eremets, cientista experimental em física de alta pressão, química e ciência de materiais do Instituto Max Planck de Química, na Alemanha, ao WordsSideKick.com. Esses experimentos de alta pressão só se tornaram possíveis com a criação da bigorna de diamante.
Com esta técnica, o gás hidrogênio denso, ou gás líquido, é carregado em um pequeno recipiente e espremido entre dois diamantes, o material mais duro conhecido. Embora o hidrogénio tenha apenas um eletrão, forma naturalmente H2, quando dois átomos de hidrogénio são mantidos juntos por dois eletrões desemparelhados, formando uma ligação covalente. À medida que as moléculas de hidrogénio são comprimidas, a força entre os dois átomos, como uma mola, começa a vibrar. A frequência dessas vibrações aumenta, o que significa que os átomos estão cada vez mais próximos uns dos outros.
Neste ponto, a distância entre os átomos é tão pequena que as moléculas fazem a transição para hidrogênio sólido. O estado sólido do hidrogênio foi alcançado em 1979 a uma pressão de 5,5 GPa e ligeiramente acima da temperatura ambiente.
Mas se os cientistas aumentarem a pressão, uma coisa estranha acontece quando esta ultrapassa os 33 GPa: a frequência começa a diminuir, o que significa que os átomos se afastam uns dos outros.
Um estudo de 1980 publicado na revista Physical Review Letters observou esse efeito. Os investigadores calcularam que se a pressão continuasse a aumentar, a ligação entre os átomos de hidrogénio acabaria por se romper, criando um metal alcalino puro com uma única valência, ou electrão mais externo. Os metais alcalinos estão ligados em sólidos e compartilham seus elétrons de valência para conduzir eletricidade. Os átomos de hidrogênio, por outro lado, formam naturalmente a molécula H2, que tem uma das ligações mais fortes da química, disse Gregoryanz à WordsSideKick.com por e-mail. Somente alta pressão – como ultrapassar 33 GPa – ou baixas temperaturas podem quebrar essa ligação para criar um metal alcalino. Os metais alcalinos, como o lítio e o sódio, estão localizados no grupo um da tabela periódica, logo abaixo do hidrogênio. Eles reagem com a água para formar bases fortes ou álcalis.
Mais de 40 anos depois, o trabalho avança lentamente. “É realmente muito difícil fazer experiências”, disse Eremets, porque os diamantes por vezes quebram, as pressões mais elevadas não podem ser alcançadas, ou as medições não podem ser feitas em amostras tão pequenas, que têm apenas alguns micrómetros.
Mesmo assim, o hidrogénio metálico sólido provavelmente não está longe, disse Gregoryanz. O seu grupo de investigação e outros observaram um escurecimento da amostra de hidrogénio, o que sugere que o “gap de banda” está a diminuir. O band gap é o espaço entre a zona de condução e a banda de valência. Na zona de condução, os elétrons se movem livremente e criam corrente elétrica, de acordo com a enciclopédia Energy Education da Universidade de Calgary.
Nos metais, o espaço entre a zona de condução e a banda de valência se sobrepõe e cria condutividade elétrica.
“As propriedades deste estado metálico [são] o que… acho ainda mais interessante do que o próprio metal”, disse Gregoryanz. Uma ideia prevê que o hidrogénio será líquido na sua forma metálica e poderá ser um supercondutor.
Novos supercondutores são importantes porque as opções atuais são frágeis e só funcionam em temperaturas extremamente baixas, disse Eremets. Os supercondutores são essenciais para tecnologias modernas, como chips de computador e máquinas de ressonância magnética.
Mas Gregoryanz não acredita que os supercondutores de hidrogênio serão usados na indústria tão cedo porque o hidrogênio metálico puro está além das capacidades tecnológicas atuais.
Em vez disso, muitos cientistas, incluindo Gregoryanz, estão concentrando seus esforços em hidretos, que são feitos de um metal mais hidrogênio. Essas amostras ainda são minúsculas, mas na verdade os hidretos formam supercondutores que funcionam sob pressões muito mais baixas do que as exigidas pelo hidrogênio puro. No entanto, estas pressões ainda são demasiado elevadas para serem utilizadas na indústria, disse Gregoryanz. “Mas como fenômeno físico, é absolutamente fascinante”, disse ele.
Publicado em 21/10/2023 16h11
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