Cómo fluyen los iones de hidrógeno a través de un cristal sólido exprés
En un cristal sólido, parecido a un pastel de capas de átomos de lantano, oxígeno e hidrógeno, la electricidad no la transportan los electrones, sino los propios iones de hidrógeno. Normalmente, un ion en un cristal se sienta en su celda como un guisante en su vaina, y solo de vez en cuando salta a una celda vacía vecina. Pero en este material todo es diferente.
Los físicos irradiaron el cristal con partículas subatómicas, muones, que ocuparon lugares entre los átomos y 'sintieron' el movimiento de sus vecinos. Resultó que alrededor de 160 grados Kelvin (unos -113 grados Celsius), los iones de hidrógeno comienzan a moverse de manera coordinada, como moléculas en una melaza espesa. Sus saltos dependen de la disponibilidad de lugares libres cercanos: sin celda vacía, no hay salto.
Esta contradicción llevó a los científicos a pensar que, al calentarse, los iones de hidrógeno dejan de comportarse como partículas individuales y se convierten en una especie de líquido viscoso que se 'congela' al enfriarse, como el vidrio. Este comportamiento explica por qué el cristal conduce tan bien la corriente de iones de hidrógeno.
Ahora se entiende mejor cómo están hechos los electrolitos sólidos con hidrógeno. Si se aprende a controlar este 'líquido' dentro del cristal, se podrían crear baterías y celdas de combustible que funcionen más rápido y de manera más fiable.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2603.00852
We performed muon spin rotation and relaxation ($$\mu$$SR) experiments to investigate the microscopic mechanism behind the high ionic conductivity ($$\sigma$$) exhibited by hydride (H$$^-$$) ions in lanthanum hydroxide LaH$$_{3-2x}$$O$$_x$$. The $$\mu$$SR spectra observed at 5--300 K in a sample with $$x\approx0.25$$ consist primarily of two components which are attributed to muons occupying tetrahedral (Tet) and octahedral (Oct) sites common to H$$^-$$. The spectra also indicate that muons at the Oct sites (Mu$$_{\rm O}$$) appear nearly stationary in the time scale of $$\mu$$SR ($$\sim$$10$$^{-5}$$ s), whereas those at the Tet sites (Mu$$_{\rm T}$$) are subject to the fluctuating local fields. The cusp-like peak in the fluctuation rate around 160 K and the decrease in linewidth at higher temperatures probed by Mu$$_{\rm T}$$ suggest that the jump motion of both Mu$$_{\rm T}$$ (via the vacant Oct sites) and surrounding Oct-site H$$^-$$ contributes to spin relaxation and that the fluctuation frequency is widely distributed. These results indicate that the implanted Mu behave as Mu$$^-$$ and that the jump motion of Mu$$^-$$/H$$^-$$ is restricted by the availability of nearby vacant sites. On the other hand, the activation energy for the jump is estimated to be 0.11(3) eV, which is significantly different from $$\sim$$1.3 eV evaluated from the temperature dependence of $$\sigma$$ at high temperatures ($$\gtrsim400$$ K). In our attempt to resolve this discrepancy, we discuss problems inherent in interpreting $$\sigma$$ using the Arrhenius equation, and demonstrate that the behavior of H$$^-$$ ions can be better explained as a viscous fluid exhibiting a glass transition.
El muón con el que se 'iluminó' el cristal vive solo dos millonésimas de segundo, pero en ese tiempo logra contar el movimiento de los iones vecinos.
En la novela de Arthur C. Clarke 'Cita con Rama', una nave extraterrestre utiliza materiales sólidos con una fluidez interna inusual, algo parecido a este cristal.