Búsqueda de hidruros icosaédricos superconductores mediante la ingeniería del número de coordinación

Por qué esto importa para las tecnologías futuras

Los superconductores —materiales que conducen electricidad sin resistencia— podrían transformar las redes eléctricas, los escáneres médicos e incluso los ordenadores del futuro. Pero la mayoría de los superconductores conocidos funcionan sólo a temperaturas extremadamente bajas o bajo presiones aplastantes. Este estudio explora una forma ingeniosa de diseñar materiales superconductores formados por hidrógeno y metales, con el objetivo de elevar sus temperaturas de operación y reducir sus requisitos de presión. Al disponer cuidadosamente cuántos átomos de hidrógeno rodean a un átomo metálico pesado, los autores muestran cómo "ingenierizar" la superconductividad en nuevos compuestos.

Construir candidatos a superconductores como piezas de Lego molecular

Los investigadores se centran en una familia de materiales llamados hidruros, ricos en hidrógeno. El hidrógeno es ligero y vibra con facilidad, rasgos que favorecen naturalmente la superconductividad cuando los electrones interactúan con esas vibraciones. En lugar de probar aleatoriamente miles de combinaciones, el equipo parte de un compuesto conocido, BaReH9, donde el renio (Re) está rodeado por nueve átomos de hidrógeno en un clúster bien definido. Luego se preguntan sistemáticamente: ¿qué ocurre si añadimos más hidrógeno alrededor del renio y cambiamos cómo se conectan estos átomos? Este principio de diseño —ajustar el número de átomos vecinos, conocido como número de coordinación— actúa como una perilla estructural para el comportamiento superconductor.

Descubriendo una jaula de doce hidrógenos con efectos potentes

Utilizando simulaciones por ordenador avanzadas bajo presiones muy altas, los autores cartografían qué combinaciones de bario (Ba), renio e hidrógeno son estables. Identifican varios compuestos prometedores, incluidos Ba2ReH8 y, lo más importante, BaReH12. En BaReH12, a aproximadamente cien mil millones de veces la presión atmosférica (100 GPa), cada átomo de renio está envuelto por 12 átomos de hidrógeno dispuestos en una jaula casi perfecta icosaédrica. Esta estructura altamente simétrica forma una unidad especial, escrita como [ReH12]²⁻, que se comporta como un bloque de construcción para la superconductividad. Los cálculos muestran que este compuesto puede volverse superconductor a temperaturas alrededor de 128 kelvin—más de la mitad del camino desde el cero absoluto hasta la temperatura ambiente, y notablemente alta para un sistema químicamente tan simple.

Cómo ayudan los electrones extra y los enlaces suaves de hidrógeno

Además de la geometría, el número de electrones dentro de cada unidad hidrógeno‑metal resulta crucial. Las unidades con un número impar de electrones tienden a ser metálicas, lo que significa que sus electrones se mueven libremente—una condición esencial para la superconductividad. BaReH12 posee una unidad con un número impar de electrones, lo que facilita su conducción. Al mismo tiempo, los átomos de hidrógeno entre jaulas vecinas no forman enlaces muy fuertes; están vinculados lo suficiente para interactuar, pero no tan fuertemente como para que los estados electrónicos se vuelvan rígidos. Esta combinación —conteo impar de electrones, alta simetría y enlaces relativamente débiles hidrógeno‑hidrógeno— produce un acoplamiento fuerte entre electrones y vibraciones atómicas, el mecanismo que sustenta la superconductividad convencional en estos hidruros.

Cuando más presión resulta ser demasiado

A medida que la presión aumenta aún más, la ordenada jaula de 12 hidrógenos comienza a distorsionarse. En una forma de BaReH12 a mayor presión, cuatro átomos de hidrógeno se comparten entre centros de renio vecinos, elevando el número de coordinación a 14 y reduciendo la simetría. Este giro estructural debilita la interacción entre electrones y vibraciones y hace que la temperatura de transición superconductora caiga hasta alrededor de 40 kelvin. De manera similar, otro compuesto, Ba2ReH8, tiene una envoltura de hidrógeno diferente y átomos de bario adicionales que separan más las jaulas de hidrógeno. También se vuelve superconductor, pero sólo cerca de 19 kelvin. Estas comparaciones subrayan lo sensible que es la superconductividad a cambios sutiles en la disposición atómica.

Reglas sencillas para diseñar mejores superconductores

En conjunto, el estudio propone una receta clara para descubrir nuevos hidruros superconductores de alta temperatura. Comenzar con unidades de hidrógeno y metal que lleven un número impar de electrones, rodearlas con átomos cargados positivamente como el bario que donen electrones y estabilicen la estructura, y buscar jaulas muy simétricas con átomos de hidrógeno unidos de forma suave entre ellas. Tratando estas jaulas de hidrógeno como bloques de construcción ajustables, los científicos obtienen una nueva caja de herramientas poderosa para explorar materiales que algún día podrían ser superconductores a temperaturas prácticas y a presiones menos extremas—acercando aplicaciones desde la transmisión de energía sin pérdidas hasta imanes más compactos a la realidad.

Cita: Song, H., Du, M., Zhang, Z. et al. Search for superconducting icosahedral hydrides via coordination number engineering. Commun Phys 9, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02494-x

Palabras clave: hidruros superconductores, materiales de alta presión, compuestos ricos en hidrógeno, ingeniería del número de coordinación, BaReH12