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De acordo com as previsões da física da matéria condensada, a uma pressão suficientemente alta, o hidrogênio deve se dissociar e se transformar em um metal atômico. No entanto, a faixa exata de pressão na qual isso ocorre ainda não foi verificada, e o processo pelo qual o hidrogênio se torna um metal ainda é um pouco incerto.
Em um estudo recente, pesquisadores do Instituto de Química Max Planck demonstraram que, a uma pressão de 350-360 GPa e a temperaturas abaixo de 200K, o hidrogênio molecular começa a conduzir e se torna semimetálico. O artigo deles, publicado na Nature Physics , fornece uma nova e interessante visão sobre a transição do hidrogênio a altas pressões, revelando algumas das propriedades que adquire.
"Normalmente, o hidrogênio metálico é considerado hidrogênio atômico - um cristal construído a partir de prótons após a dissociação das moléculas", disse Mikhail Eremets, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "No entanto, o hidrogênio também pode se transformar em um metal no estado molecular - nesse caso, as bandas eletrônicas de cristal de hidrogênio molecular se ampliam e eventualmente se sobrepõem, de modo que a folga da banda se fecha, elétrons e buracos livres aparecem - esse é o estado metálico".
O estado inicial no qual as bandas eletrônicas do cristal de hidrogênio molecular se sobrepõem é conhecido como semimetal. Nesse estado, o metal apresenta baixa condutividade, pois o número de portadores é baixo. Se a pressão for aumentada ainda mais, no entanto, esse metal pouco condutor se transforma em metal normal e, eventualmente, em hidrogênio atômico.
"Nosso objetivo era encontrar a pressão na qual a condutividade elétrica metálica aparece e se isso resulta em um metal molecular ou atômico", disse Eremets. "Assim, realizamos medições elétricas , pois esse é o único método que nos diz diretamente se o hidrogênio conduz e se é um metal. Um metal geralmente conduz às temperaturas mais baixas; um semicondutor também pode conduzir, mas a temperaturas mais baixas, a condutividade diminui exponencialmente. e desaparece ".
Em seus experimentos, os pesquisadores coletaram medições de Raman de até 480 GPa para identificar mudanças que ocorrem no hidrogênio a diferentes pressões. Eles descobriram que o hidrogênio começou a conduzir a pressões acima de 360 GPa, mas permaneceu semimetal até 440 GPa.
Para coletar medições de Raman, os pesquisadores usaram DACs pequenos com diamantes sintéticos. Esses diamantes têm luminescência extremamente baixa, mesmo a pressões de ~ 500 GPa. Para medições elétricas, por outro lado, eles usaram quatro fios elétricos espalhados por bigornas de diamante, que foram isolados da gaxeta metálica por uma camada isolante.
No geral, as medições coletadas mostraram que o hidrogênio semimetálico observado em seus experimentos está no estado molecular. Esses achados confirmam sua hipótese de que o hidrogênio se torna um metal em seu estado molecular.
"Acima de 360 GPa, a condutividade elétrica aumentou fortemente com a pressão", explicou Eremets. "A condutividade não diminuiu exponencialmente com o resfriamento, indicando que o hidrogênio não é um semicondutor. Por outro lado, não é um bom metal, pois a condutividade apenas aumenta levemente com o resfriamento. Esse comportamento é típico para semimetais como bismuto ou pressão. semimetais induzidos, como oxigênio ou xenônio ".
No geral, as medições coletadas por Eremets e seus colegas fornecem evidências de que o hidrogênio semimetálico permanece no estado molecular pelo menos até uma pressão de 440 GPa. Quando a pressão sobe acima de 440GPa, no entanto, o sinal Raman emitido pelo hidrogênio desaparece, o que sugere que uma transformação adicional está ocorrendo.
"A conquista das pressões necessárias acima de 350 GPa é uma tarefa difícil", disse Eremets. "Depende de vários fatores, primeiro, da geometria das bigornas. Realizamos muitas tentativas para atingir as pressões multimegabares. No entanto, obtivemos dados reproduzíveis".
O recente estudo realizado por Eremets e seus colegas demonstra claramente que, acima de ~ 360 GPa, o hidrogênio se transforma em um semimetal em seu estado molecular. No entanto, essa substância semimetálica apresenta um comportamento incomum, que não está alinhado com as previsões teóricas comuns de hidrogênio metálico estar em um estado atômico. Pelo contrário, os pesquisadores observaram que o hidrogênio se transforma em uma substância semimetálica em seu estado molecular.
"Nossas descobertas devem estimular mais trabalhos teóricos e experimentais sobre o entendimento da complexa transformação do hidrogênio em metal ", disse Eremets. "Agora estamos planejando estender nossas medições elétricas a pressões mais altas e encontrar supercondutividade no hidrogênio metálico".
Mais informações: MI Eremets et al. Hidrogênio molecular semimetálico a pressão acima de 350 GPa, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038 / s41567-019-0646-x
Informações da revista: Nature Physics
Fonte: Physyic.Org / por Ingrid Fadelli, /05-10-2019
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Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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