Amici della Scienza – Notizie & Scoperte

I ricercatori potrebbero finalmente aver creato l’idrogeno metallico

Gli scienziati hanno cercato di produrre idrogeno metallico per decenni, ma nessuno è ancora riuscito a mostrare prove incontrovertibili del successo. Un team di ricercatori presso la France Atomic Energy Commission ha pubblicato un documento sul server arXiv online. Gli scienziati hanno utilizzato un nuovo tipo di camera di prova ad alta pressione per comprimere l’idrogeno fino a produrre il leggendario idrogeno metallico. Se fosse vero, avremmo progressi nella scienza planetaria e nella produzione di nuovi materiali.

L’idrogeno, il primo elemento chimico della tavola periodica (di cui quest’anno ricorre il 150°), esiste a pressione atmosferica e a temperatura ambiente come gas biatomico H2. In condizioni estreme, però, tipiche dei giganti gassosi, l’elemento può cambiare proprietà e comportarsi come un metallo. La possibilità di creare artificialmente idrogeno metallico è stata teorizzata quasi un secolo fa e tuttora si sta cercando di raggiungere questo obiettivo. Finora nessun esperimento è riuscito a crearlo o quasi, dato che molti dei precedenti risultati sono stati confutati.

idrogeno metallico
Il team sostiene che l’idrogeno metallico si trova al centro del campione.

I tentativi sono legati al fatto che l’idrogeno metallico potrebbe avere numerose applicazioni nelle scienze dei materiali, quali superconduttoripotenti e propellenti per razzi molto potenti, più di quelli a idrogeno liquido. Oggi tre ricercatori francesi del French Alternative Energies e Atomic Energy Commission e del sincrotrone Soleil annunciano di essere riusciti a ottenere questo composto. I risultati sono pubblicati in preprint su arXiv. Ecco come hanno fatto i tre autori, Paul Loubeyre, Florent Occelli e Paul Dumas.

L’idrogeno esiste come gas biatomico (la molecola H2) a temperatura ambiente, diventa liquido intorno allo zero assoluto e solido (ma sempre in forma molecolare e non come atomo singolo) all’aumentare della pressione. Quando parliamo di idrogeno metallico, invece, si intende l’idrogeno in una fase in cui perde la struttura molecolare ed esiste come atomo da solo, H. In questa forma non esiste anche se gli scienziati provano da tempo a crearlo sottoponendo l’idrogeno a pressioni elevatissime.

Oggi gli autori dichiarano di essere riusciti a ottenerlo. Per raggiungere queste pressioni gli autori hanno utilizzato due incudini di diamante (già precedentemente impiegate) dove in questo caso le punte sono a forma di toroide (una ciambella con il buco al centro) invece che piatte. Questo è servito per ottenere pressioni, e dunque una compressione, ancora più alte rispetto ad oggi. Finora, infatti, si arrivava a 400 Gpa (Gigapascal) e oggi gli autori sono riusciti a salire ancora di più. Mediante un nuovo tipo di spettrometro a infrarossi del sincrotrone Soleil hanno studiato il sistema e osservato l’idrogeno metallico. Una volta raggiunti i 425 Gpa e temperature di -193 °C, l’idrogeno osservato era in un cambiamento di fase verso l’idrogeno metallico, e da isolante . Tanto che gli autori hanno intitolato il paper “Osservazione della prima transizione di fase del primo ordine verso l’idrogeno metallico in prossimità dei 425 Gpa” – “Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa”.

Questa operazione di schiacciamento estremo avrebbe portato il materiale a cambiare stato e perdere la sua struttura molecolare. Questo grazie a particolari effetti quantistici (confinamento quantico) collegati alla compressione, che cambiano il moto degli elettroni e che trasforma il materiale da isolante a conduttore, in cui gli elettroni sono liberi di fluire, quello che avviene nell’idrogeno metallico.

“Penso che si tratti di una scoperta di portata così grande da meritare il premio Nobel”, ha dichiarato in una email al giornale Gizmodo Maddury Somayazulu dell’Argonne National Laboratory, non coinvolto nello studio. Ma se la ricerca ha ottenuto l’approvazione di alcuni, ci sono anche degli scettici. Questo perché in passato è accaduto che altre volte sia stata annunciata la creazione dell’idrogeno metallico ma poi i risultati si erano dimostrati inconcludenti. In generale, lo studio ha sollevato una grande discussione all’interno della comunità scientifica, come sottolinea Helen Maynard-Casely, ma in ogni caso prima di sapere se il risultato sia confermato o meno bisogna attendere i mesi del processo del peer review.

Potremmo avere superconduttori a temperatura ambiente

L’idrogeno è ovunque: rappresenta circa il 75% di tutta la materia di cui siamo sicuri di essere a conoscenza. La scienza per molto tempo ha studiato gli atomi di idrogeno, perché sono pezzi del più semplice elemento chimico a noi noto. L’idrogeno ci dice molto sui primi istanti dell’universo in cui viviamo, prima che tutto diventasse così complicato e discreto.

Una delle cose che abbiamo imparato studiando l’idrogeno è che quando è solido, si suppone che si comporti come un metallo alcalino, con un elettrone di valenza libero, ci aspettiamo che agisca come gli altri metalli con carica +1. Ma non possiamo farlo agire come un metallo.  Abbiamo manipolato molto l’idrogeno; ormai, possiamo raffreddarlo allo stato liquido abbastanza facilmente. Ma fino ad ora non siamo ancora riusciti a farlo comportare come un metallo, non importa quanto lo schiacciamo o lo raffreddiamo.

Quello che fino alla scorsa settimana siamo riusciti a fare, è quello di creare una nuova fase di idrogeno, non del tutto un liquido, non del tutto un gas.  Grazie alla fisica della materia condensata abbiamo il diagramma di fase: che espone il comportamento dell’idrogeno a diverse pressioni, volumi e temperature.

diagramma di fase
Solido dello spazio di fase – un diagramma di fase generale della pressione-volume-temperatura tridimensionale

Ad esempio, l’acqua è chimicamente interessante: il comportamento dell’idrogeno in acqua significa che ci sono una dozzina di diversi tipi di ghiaccio. I legami che danno alle molecole d’acqua le proprietà che hanno possono cambiare a seconda della pressione e della temperatura – e questo a sua volta cambia le proprietà dell’acqua stessa.

Non abbiamo le pressioni necessarie sul nostro pianeta per vedere l’idrogeno metallico. Per trovarlo, dobbiamo riferirci ai nuclei di giganti gassosi come Giove o ai primi centomila anni dopo il Big Bang. Queste sono fasi dell’idrogeno che non vediamo nel nostro mondo naturale. Usare diamanti quasi incomprimibili per schiacciare gli atomi di idrogeno insieme a una forza impressionante è un modo per iniziare a replicare le pressioni insane che si trovano all’interno di Giove. Giove è un luogo relativamente tranquillo nel sistema solare. Non lontano dal centro di Giove, le condizioni sono piuttosto folli.

La pressione schiacciante all’interno di Giove lo fonderebbe in una stella se fosse un po più grande. Inoltre è ancora abbastanza caldo, anche se non ha avviato la fusione stellare. La “superficie” di Giove, in quanto Giove ha una superficie ben distinta che non è solo un confine tra densità leggermente diverse di fanghiglia di gas nobile lanuginoso, la temperatura è di circa 340 °K, circa. Verso il nucleo, però c’è uno spesso mantello di idrogeno metallico responsabile dell’incredibile campo magnetico di Giove e l’alta pressione nel mantello significa che gli atomi di idrogeno devono riunirsi in uno stato altamente ordinato. Diventa più caldo e il comportamento diventa più strano, più in basso si va.

diagrammi di fase
Diagramma di fase dell’acqua, mostrando come si comporta a diverse pressioni e temperature

Il calore e l’alta pressione sono un modo per creare le condizioni dell’idrogeno metallico. Ma c’è un altro modo. Le basse temperature e le alte pressioni sono più pratiche qui sulla Terra, se non altro perché è difficile contenere alcuni atomi molto caldi di idrogeno quando la sostanza può diffondersi attraverso qualsiasi contenitore.

Tre ricercatori dell’Università di Edimburgo hanno utilizzato una cella di incudine diamantata per applicare 388 gigaPascal di pressione ad alcuni atomi di idrogeno. Questa è una pressione ridicola, maggiore delle pressioni all’interno del mantello di idrogeno metallico di Giove. Ma gli scienziati hanno scelto di farlo ad una temperatura molto più fredda: 300 Kelvin, che è abbastanza vicino alla temperatura ambiente qui sulla Terra.

Mentre componevano la pressione, i ricercatori hanno ottenuto prove spettroscopiche dei legami di elettroni e nuclei di idrogeno che cominciavano a scomparire. L’alta pressione forza gli atomi a riunirsi e interagire l’uno con l’altro e quando furono impacchettati abbastanza saldamente insieme le proprietà del materiale iniziarono a cambiare. I confini tra stati di fase non sono drastici; in condizioni estreme possiamo osservare cambiamenti di fase parziali, stati intermedi in cui l’idrogeno non è interamente liquido, ma non è completamente gassoso, in base al comportamento effettivo delle singole particelle.

Poiché alcuni segnali di legame erano ancora presenti sotto la spettroscopia Raman, il team afferma di aver trovato una nuova fase di idrogeno che esiste “tra” liquido e gas. Gli elettroni non sono stati tutti liberati dai loro nuclei, quindi questo può rappresentare un passaggio intermedio nella transizione di fase gas-liquido dell’idrogeno (condensazione da gas a liquido) ad alta pressione e bassa temperatura. Lo chiamiamo idrogeno V.

idrogeno V
Schema di fase proposto di idrogeno, a 400 gPa. L’inserto mostra il comportamento del deuterio, non osservato per formare

Un possibile utilizzo dell’idrogeno metallico potrebbe essere come superconduttore a temperatura ambiente. Tali superconduttori sono sfuggenti nel mondo reale e la pressione necessaria per creare idrogeno metallico è molto elevata. circa 400 GPa di pressione a temperatura ambiente. Questo è l’equivalente di quattro milioni di atmosfere di pressione.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Observation of a first order phase transition to metal hydrogen near 425 GPa. Paul Loubeyre, Florent Occelli and Paul Dumas – arXiv

Lascia una recensione

avatar

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.

  Subscribe  
Notificami