Uma pitada de lítio cria hidrogênio metálico supercondutor

National Science Foundation - 16/10/2009

Modelo previsto do cristal de lítio-hidrogênio. Átomos de lítio estão em verde, pares de hidrogênio estão em branco e os íons negativos de hidrogênio estão em roxo.
[Imagem: Eva Zurek]

Hidrogênio metálico

A ciência tem uma longa história de insucessos nas tentativas de criar hidrogênio sólido, transformando o gás em um metal pela aplicação de pressões incrivelmente elevadas.

A teoria prevê que o hidrogênio metálico será um supercondutor de alta temperatura. Um supercondutor é um estado da matéria onde os elétrons - e, portanto, a eletricidade - pode fluir indefinidamente e sem resistência. Os supercondutores conhecidos somente funcionam em temperaturas criogênicas.

Agora, um novo estudo teórico prevê que a metalização de misturas gasosas ricas em hidrogênio poderá ocorrer sob pressões significativamente mais baixas.

Uma pitada de lítio

Adicionando pequenas quantidades de lítio ao hidrogênio, os cientistas calculam que o sistema resultante poderá ser metalizado sob uma pressão equivalente a um quarto da pressão prevista para a solidificação do hidrogênio puro.

O hidrogênio e o lítio - usado em baterias recarregáveis - são o primeiro e o terceiro elementos mais leves no universo, respectivamente. Sob a pressão e a temperatura normais encontradas na Terra, o hidrogênio é um gás e o lítio é um metal.

No gás hidrogênio, os átomos são fortemente ligados em pares, com cada átomo de hidrogênio contribuindo com um elétron para a ligação. É por isso que, no mundo da química, o hidrogênio é conhecido por H2 - uma molécula formada pela forte ligação dos dois átomos de hidrogênio.

O hidrogênio e o lítio normalmente reagem entre si, formando um composto estável. Este composto de lítio-hidrogênio, ou LiH, não é metálico.

Pressão planetária

Acredita-se que o hidrogênio metálico esteja presente no interior de planetas como Júpiter e Saturno, por causa das intensas forças gravitacionais e das pressões encontradas em seus núcleos.

Os pesquisadores vêm tentando arrancar um elétron do hidrogênio comprimindo-o sob as faces de uma célula de pressão - conhecida como bigorna de diamante - já tendo alcançado pressões de 3,4 milhões de atmosferas. A pressão ao nível do mar na Terra equivale a uma atmosfera. A pressão no centro da Terra tem cerca de 3,5 milhões de atmosferas. Os cientistas não tiveram sucesso em alcançar essa pressão com esse método de pressão constante. Mas eles conseguiram com técnicas de ondas de choque. E nem assim alcançaram o tão sonhado hidrogênio metálico.

Reações simuladas

Como o hidrogênio insiste em não se metalizar sob as condições atualmente alcançáveis em condições de laboratório, os pesquisadores passaram a usar sofisticados programas de computador para simular as condições alcançáveis e o que ocorre em cada uma delas.

Os simuladores computacionais calcularam que o hidrogênio poderá se metalizar pela combinação de um átomo de lítio com vários átomos de hidrogênio, sob as pressões alcançáveis em laboratório.

Uma das combinações estudadas contém um átomo de lítio para cada seis átomos de hidrogênio, formando o LiH6, um composto que não ocorre naturalmente na Terra.

Os cálculos preveem que, nesse composto hipotético, o átomo de lítio libera o elétron de sua camada mais externa, que é alocado entre as três moléculas de H2.

Sob pressão, a reação forma um composto de hidrogênio metálico estável.

Múltiplas opções

Os cientistas também calculam que o LiH6 pode se tornar um metal sob pressões normais. Entretanto, sob essas condições, ele não é estável e se decompõe para formar LiH e H2.

"O composto metálico LiH6 deverá se tornar estável sob uma pressão de cerca de 1 milhão de atmosferas, o que é cerca de 25 por cento da pressão exigida para metalizar o hidrogênio sozinho," explica Eva Zurek, principal autora do artigo.

"O que é muito interessante é que, entre 1 e 1,6 milhão de atmosferas, todas as combinações de lítio e hidrogênio são estáveis ou metaestáveis e todas são metálicas," disse Roald Hoffmann, coautor do estudo.

Novos estados da matéria

Os cientistas responsáveis pela simulação teórica já estão em contato com seus colegas experimentalistas, discutindo a melhor abordagem para fabricar o composto. Segundo estes, a melhor abordagem será começar com o composto LiH, adicionando-se átomos de hidrogênio, um de cada vez.

Se tiverem sucesso, o estudo representará um passo importante ao demonstrar a possibilidade de combinações não-tradicionais de elementos leves, levando não apenas à fabricação do longamente sonhado hidrogênio metálico, como também à descoberta de novos materiais e novos estados da matéria.

Mais tópicos