Un experimento consigue romper los enlaces del nitrógeno

Cuando el grafito se comprime a suficiente presión se convierte en diamante. Ahora, los físicos de altas presiones, como nuevos alquimistas que son, han conseguido hacer algo parecido con el nitrógeno, el gas del que se compone el 75% de la atmósfera terrestre, al someterle a presiones del orden del millón de veces la presión atmosférica (100 gigapascales, GPa), y lo han convertido en un sólido semiconductor, una forma totalmente nueva de este elemento.

Ya se había conseguido antes convertir el nitrógeno en sólido, pero hasta ahora no se había logrado romper el triple enlace que une los dos átomos del nitrógeno molecular, uno de los enlaces más fuertes conocidos. En la forma ahora lograda, el nitrógeno, con aspecto de sólido opaco, pierde su carácter molecular convirtiéndose en nitrógeno atómico (cada átomo se enlaza con todo sus vecinos en la nueva estructura).

Además, en determinadas condiciones, cuando se alcanza una presión de aproximadamente 140 GPa a la temperatura de 300 Kelvin (27 grados centígrados) empieza a exhibir propiedades semiconductoras, como el silicio. La presión a la que se produce esta transformación aumenta a medida que disminuye la temperatura y las medidas de resistencia eléctrica, el gran mérito de estos experimentos, se han hecho con presiones de hasta 240 GPa.

Los investigadores, de la Carnegie Institution en Washington, han demostrado (Nature, 10 de mayo) lo que predijo la teoría en los años ochenta y además han comprobado que en algunas de las muestras se mantiene el estado sólido atómico (no molecular) al disminuir la presión hasta la presión atmosférica, siempre que la temperatura sea inferior a 100 Kelvin (-173 grados centígrados). 'Nos ha sorprendido bastante descubrir esto', comenta Russell J. Hemley, director de la investigación.

La transformación es similar a la del carbono. Bajo fuertes presiones y altas temperaturas, como sucede en el interior de la Tierra, el grafito, la forma más estable del carbono en la atmósfera terrestre, se convierte en diamante y se mantiene en ese estado cuando se recobran las condiciones normales.Cuando el nitrógeno atómico se transforma en nitrógeno molecular se libera una enorme cantidad de energía debido a la formación de los triples enlaces. Este hecho unido a la alta densidad del nuevo material le convierte en un medio excepcional para el almacenamiento de energía. El equipo dirigido por Hemley cree que esta característica podría llevar a aplicaciones prácticas de la nueva forma del nitrógeno. 'Hasta ahora no hemos creado más que muy pequeñas cantidades de este material, y a bajas temperaturas', ha dicho Hemley a PhysicsWeb. 'Sin embargo, el material tiene una densidad de energía muy alta y podría utilizarse eventualmente como combustible'. Richard M. Martin, profesor de física de la Universidad de Illinois, ha matizado, sin embargo, informa The New York Times, que 'eso es pura conjetura. Nadie sabe si podría realmente hacerlo funcionar'.

Fernando Rodríguez, especialista en altas presiones de la Universidad de Cantabria, explica que el hecho de que se mantenga la nueva forma del nitrógeno cuando se dejan de ejercer presiones muy elevadas se debe a la fuerte histéresis que presenta esta transformación (del orden de 100 GPa), por la cual resultaría factible encontrar la nueva fase a presión ambiente, de manera análoga a lo que sucede en el diamante.

Los primeros experimentos de altas presiones transformaron el oxígeno en un metal de color rojo rubí, y la teoría predice que también el hidrógeno se podrá convertir en un sólido metálico, probablemente superconductor además, siempre que se apliquen presiones suficientemente elevadas. Conseguir este hidrógeno sólido es la meta de la gran carrera existente en la actualidad entre los laboratorios mas punteros de alta presión, señala Rodríguez, que está organizando en Santander el próximo congreso del Grupo Europeo de Investigación en Altas Presiones para septiembre. Los autores del experimento con nitrógeno reconocen que les interesa especialmente la posible similitud del proceso observado con el que se produciría en el hidrógeno, en el que se han llegado a aplicar ya presiones de 300 GPa sin conseguir la metalización de la fase sólida.