Dopo oltre 80 anni di ricerca un gruppo di fisici è riuscito a creare l'idrogeno metallico, una misteriosa forma di idrogeno che potrebbe essere impiegato per realizzare superconduttori senza resistenza, che funzionano a temperatura ambiente. Un materiale finora solo teorizzato, e ritenuto potenzialmente esistente in alcune parti dell'Universo, non sulla Terra - almeno finora.
Per capire di che cosa stiamo parlando e delle possibili applicazioni di questa nuova scoperta abbiamo intervistato il Dottor Matteo Ceppatelli, dell'Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (ICCOM) del CNR.
Prima però descriviamo per sommi capi la ricerca, che si è guadagnata una pubblicazione su Science. Partiamo dal presupposto di poter suddividere in linea di massima la tavola periodica in due categorie - metalli e non metalli. Tra le molte altre proprietà, i metalli sono brillanti (lucidi), buoni conduttori, e di solito solidi a temperatura ambiente, mentre i non-metalli non hanno questo aspetto (dato che l'idrogeno è un gas incolore e diventa opaco solo ad alta pressione nella fase precedente la metallizzazione) e sono cattivi conduttori. A tutti a scuola hanno insegnato che l'idrogeno - il primo elemento nella tavola periodica - è un non metallo.
L'ipotesi che quest'affermazione non fosse del tutto corretta emerse per la prima volta nel 1935, quando un gruppo di ricercatori previde che in determinate condizioni gli atomi di questo elemento si legassero insieme tanto strettamente che il materiale non assumerebbe semplicemente alcune proprietà metalliche, ma potrebbe effettivamente diventare un metallo. Condizioni difficili da raggiungere perché si parla di pressioni estremamente alte a temperature estremamente basse. Fu così che per più di 80 anni i numerosi tentativi andarono a vuoto.
Durante l'ultimo esperimento tuttavia Isaac F. Silvera della Harvard University (uno dei ricercatori titolari di questa ricerca) ha osservato che "l'idrogeno è passato da essere trasparente all'essere nero, e improvvisamente è diventato brillante".
Ecco com'è apparso per la prima volta sulla Terra questo materiale:
Dottor Ceppatelli, perché l'idrogeno metallico è così importante?
"Da un punto di vista scientifico la straordinaria rilevanza di questa osservazione è legata alla conoscenza della struttura della materia e del suo comportamento chimico, dato che l'idrogeno è l'atomo più semplice della tavola periodica e rappresenta un sistema modello.
Come ci insegnano questo e altri studi, la suddivisione della tavola periodica in metalli e non-metalli non è assoluta, ma dipende dalla pressione. A condizioni ambiente l'idrogeno si trova sotto forma di molecola diatomica. In parole molto semplici, sappiamo che per effetto della pressione la distanza tra le molecole può essere ridotta, e che in questo modo le molecole possono essere portate a interagire tra loro in modo sempre più forte, fino a dare luogo a reazioni chimiche. In questi casi gli elettroni che si trovano su una molecola si spostano nello spazio tra una molecola e l'altra, formando nuovi legami tra molecole diverse, in quanto questa configurazione rappresenta uno stato energeticamente più favorevole per il sistema.
Aumentando ancora la pressione le distanze tra gli atomi si riducono ancora di più e gli elettroni si delocalizzano sull'intero sistema. In questo caso si parla di legame metallico, a cui è associata la proprietà di riflettere la radiazione elettromagnetica. Nel caso dell'idrogeno l'osservazione di questo fenomeno nasconde difficoltà sperimentali enormi perché le pressioni in gioco sono estremamente elevate (495 gigapascal, circa 5 milioni di volte la pressione atmosferica). Inoltre l'osservazione della riflettività tipica dello stato metallico, usata nell'articolo come principale dimostrazione della metallizzazione dell'idrogeno, risulta oltremodo difficoltosa, tanto che solo pochi gruppi al mondo sono in grado di condurre questo tipo di ricerca.
Gli autori hanno utilizzato celle ad incudine di diamante, che attualmente rappresentano lo strumento più avanzato per generare in modo statico pressioni che arrivano a centinaia e anche migliaia di GPa. Il raggiungimento di queste pressioni, già di per sé estremamente difficile, risulta ancora più complicato nel caso dell'idrogeno, a causa della sua tendenza ad infiltrarsi nei diamanti e a provocarne la rottura.
Per questo motivo, oltre a rendere i diamanti privi di difetti mediante particolari tecniche, Dias e Silvera hanno rivestito la loro superficie con un materiale in grado di limitare tale fenomeno. Ed è proprio sull'uso di questo materiale e sulla sua eventuale riflettività nelle condizioni sperimentali dell'articolo che si basano alcuni dubbi sollevati da altri gruppi di ricerca, che - come quello di Silvera - sono attivi da anni in questo settore. Perplessità sono state sollevate anche sulla misura della pressione e soprattutto sul fatto che al momento l'esperimento di Dias e Silvera costituisca un caso unico, mancando quindi di riproducibilità. La ripetizione di questo esperimento da parte di altri gruppi di ricerca rappresenterà sicuramente un test importante per la validazione di questo risultato".
Qualcuno al riguardo ha parlato della scoperta che farà volare le astronavi.
"Al di là di aspetti di interesse chimico e fisico, che animano principalmente la comunità scientifica, l'interesse applicativo di questo risultato è essenzialmente legato a previsioni teoriche, secondo le quali l'idrogeno metallico potrebbe essere recuperato a pressione ambiente in forma metastabile, ovvero una forma instabile che, a causa di barriere energetiche molto alte, non si trasformerà praticamente mai spontaneamente nella forma stabile.
Una situazione analoga a quella del carbonio, in cui il diamante, sintetizzato ad alta pressione ed alta temperatura all'interno della Terra, sebbene termodinamicamente instabile rispetto alla grafite, può essere recuperato a condizioni ambiente (tanto da essere usato negli esperimenti di alta pressione). Secondo queste previsioni l'idrogeno metallico sarebbe un superconduttore ad alta temperatura. Questa proprietà avrebbe enormi implicazioni per quanto riguarda il trasporto elettronico, in quanto consentirebbe di abbattere la dissipazione di calore aumentando enormemente l'efficienza energetica.
Inoltre, data la sua natura metastabile, l'idrogeno metallico rappresenterebbe un materiale di estremo interesse energetico, poiché la sua conversione ad idrogeno molecolare sarebbe associata alla liberazione istantanea di una elevata quantità di energia, con potenziali applicazioni in qualità di propellente in ambito aerospaziale (come dichiarato in un intervista dagli autori). Se Dias e Silvera riusciranno a recuperare l'idrogeno metallico a pressione ambiente, come suggerito dagli studi teorici, ne sentiremo sicuramente parlare.
L'importanza della ricerca in condizioni estreme di pressione può apparire molto vaga, ma, se ci pensiamo bene, nell'Universo sono quelle che noi chiamiamo condizioni ambiente a rappresentare un'eccezione limitata a un sottile strato di materia intorno alla superficie terrestre. Molta della materia nota si trova in condizioni di elevate pressioni all'interno dei corpi celesti. Nel caso specifico dell'idrogeno, le attuali conoscenze ci suggeriscono ad esempio che il nucleo di Giove sia composto proprio da questo elemento in condizioni di elevata pressione. Ne segue che conoscere il comportamento dell'idrogeno in queste condizioni ci aiuta a capire come è fatto l'Universo che ci circonda.
Studi di questo tipo sono una realtà concreta anche per la ricerca italiana, come confermano i risultati ottenuti presso il laboratorio di High Pressure Chemistry and Physics del LENS (Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-Lineari) di Sesto Fiorentino (wwww.lens.unifi.it), dove da più di vent'anni è attivo un gruppo di ricerca riconosciuto a livello internazionale guidato dal Prof. Roberto Bini (Università degli Studi di Firenze) e composto da ricercatori del Consiglio Nazionale delle Ricerche, in particolare dell'ICCOM-CNR Istituto di Chimica dei Composti OrganoMetallici (Matteo Ceppatelli, Maurizio Peruzzini www.iccom.cnr.it) e dell'Istituto Nazionale di Ottica INO-CNR (Mario Santoro, Federico Gorelli), e da ricercatori dell'Università degli Studi di Firenze (Margherita Citroni), oltre a postdoc (Samuele Fanetti e Demetrio Scelta).
Il gruppo si occupa sia di aspetti di chimica e fisica fondamentale legati alla reattività di sistemi molecolari semplici ad alta pressione, che della sintesi ad alta pressione di materiali innovativi in assenza di solventi, catalizzatori e iniziatori radicalici (polietilene ad elevata densità per protesi mediche da impianto, materiali ibridi nanocompositi e nanostrutturati) ed è coinvolto in network di ricerca internazionale come il Deep Carbon Observatory (DCO, www.deepcarbon.net), finalizzato allo studio del ciclo del Carbonio all'interno della Terra, e in progetti di eccellenza Europei come Phosfun (ERC Advanced Grant, PI Maurizio Peruzzini) avente come obiettivo la sintesi, caratterizzazione e funzionalizzazione del Phosphorene".
Tornando all'esperimento, Silvera e i colleghi hanno creato idrogeno metallico di circa 1 - 1.5 micron di spessore e 10 micron di diametro, quindi è molto piccolo. Il gas di idrogeno è stato intrappolato all'interno di una piccola bara di diamante, raffreddata a 5,5 Kelvin (-267,65 gradi Celsius) e l'hanno messo sotto una pressione incredibilmente alta (495 GPa).
È a questo punto che i ricercatori hanno visto l'aspetto che si modificava rapidamente. A quel punto hanno usato misure spettroscopiche per accertarsi che quello che avevano creato era idrogeno metallico. In questo modo hanno misurato la sua riflettività, che dimostra come quello che era in origine un gas si era trasformato in un metallo. Ecco di seguito la struttura atomica:
L'esperimento ovviamente verrà ripetuto e sottoposto al vaglio della comunità scientifica
"Come ho detto in precedenza la ripetizione di questo esperimento, possibilmente da parte di un altro gruppo di ricerca, sarà sicuramente un test importante per la validazione di questo risultato. D'altra parte la riproducibilità degli esperimenti costituisce un requisito imprescindibile per il metodo scientifico".
Alla fine qual è lo stato di questo presunto idrogeno metallico?
"Gli autori dell'articolo sostengono di avere ottenuto idrogeno metallico solido e che le loro osservazioni siano compatibili con un cristallo costituito da atomi.".