Sintetizzato l’idrogeno metallico?

Rinaldo Cervellati

Nei precedenti post sul ghiaccio supersonico e sull’eliuro di sodio[1] è stata descritta l’apparecchiatura usata per ottenerli, la cella a incudini di diamante (DAC), che permette di generare pressioni altissime e di studiare il comportamento di un materiale sottoposto a tali condizioni. Originariamente ideata per essere usata in apparati sperimentali in cui è prevista l’osservazione ottica di quanto avviene nel campione in esame, è stata successivamente resa polivalente per ogni tipo di studio in cui il campione sottoposto a pressione, riscaldato o raffreddato, viene irraggiato con vari tipi di radiazione elettromagnetica (raggi X o gamma o infrarossi, luce di sincrotrone ecc.)

Il 3 febbraio, su Chemistry & Engineering news, Sam Lemonick ha riportato la notizia che Nature ha pubblicato un articolo in cui il dott. Paul Loubeyre e collaboratori, della Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica, avrebbero ottenuto evidenze della transizione dalla fase gas a quella solida metallica dell’idrogeno usando una particolare DAC [1][2].

Il gruppo di Paul Loubeyre

Sebbene lo stato metallico dell’idrogeno fosse previsto da calcoli quantomeccanici circa un’ottantina di anni fa, solo dal 2010 diversi gruppi di ricerca hanno annunciato risultati promettenti per l’ottenimento di questo materiale, che potrebbe essere utile come superconduttore, carburante per missili e altre applicazioni.

Come altri elementi, l’idrogeno dovrebbe diventare metallico a pressione altissima e bassa temperatura, quando i suoi elettroni si delocalizzano e si muovono liberamente attraverso una matrice di protoni. Ma arrivare a quasi 5 milioni di volte la pressione ambiente ha reso difficili i tentativi sperimentali anche usando le usuali celle a incudini di diamante.

Nel nuovo studio, Paul Loubeyre e collaboratori hanno usato una cella a forma toroidale con una punta a incudine diamantata che consente di estendere la superficie di compressione fino al terapascal, sperimentata in precedenza [2].

Cella a incudine toroidale

Il gruppo ha iniettato idrogeno nella cella e misurato i cambiamenti nell’assorbimento infrarosso del campione al variare della pressione. Al di sopra di 400 GPa e a 80 K (-193 oC), il gruppo ha ottenuto spettri IR indicanti la transizione del campione di idrogeno allo stato metallico, in accordo con le previsioni teoriche.

Variazione nell’assorbimento IR del campione di idrogeno oltre i 400 GPa, attribuito da Loubeyre alla transizione verso lo stato metallico (tratta da [1]).

Il gruppo di Loubeyre, come pure altri ricercatori, concordano sul fatto che i risultati sono più coerenti con uno stato metallico costituito da molecole di idrogeno diatomico piuttosto che con un metallo formato da atomi di idrogeno, lo stato con le proprietà più ricercate.

Per dimostrare che le misure IR non erano il risultato della deformazione dell’incudine del diamante, un problema riscontrato in alcuni studi precedenti, i ricercatori hanno riportato dati che suggeriscono che anche i cambiamenti si invertono quando la pressione diminuisce.

La ricerca ha ricevuto deboli apprezzamenti da esperti del settore, molti dei quali potrebbero essere descritti come concorrenti del gruppo di Loubeyre nella gara per ottenere idrogeno metallico. Diversi sottolineano che mentre queste misure ottiche sono coerenti con una transizione verso uno stato metallico, potrebbero esserci altre spiegazioni, tra cui un altro stato dell’idrogeno, alcuni cambiamenti nella struttura del diamante o un’interazione tra l’idrogeno e l’incudine.

Risultati ottici simili sono stati riportati anche da altri gruppi. Il gruppo di Loubeyre sembra aver raggiunto una pressione più elevata rispetto a questi studi, anche se le differenze nel modo in cui viene misurata la pressione in questi esperimenti rendono difficile una chiara determinazione.

Mikhail Eremets del Max Planck Institute for Chemistry afferma che misurare la conduttività del campione sarebbe un modo più sicuro per determinare se un gruppo ha finalmente ottenuto idrogeno metallico. La misurazione della conducibilità determinerebbe se il campione è rimasto conduttivo allo zero assoluto – una definizione di metallo – o era superconduttore, che è la promessa finale dell’idrogeno metallico. Eremets ha condotto esperimenti di conducibilità su idrogeno pressurizzato, ma è difficile incorporare cavi elettrici nell’incudine di diamante e le misurazioni di conducibilità sono invasive perché la corrente elettrica può influenzare le proprietà del campione.

Loubeyre afferma che il suo gruppo proverà pressioni più elevate con il loro apparato sperimentale. Ma Russell Hemley dell’Università dell’Illinois a Chicago sottolinea che mentre l’idrogeno metallico rimane un interessante obiettivo di ricerca, i chimici hanno già ottenuto materiali come l’idruro di lantanio che presentano alcune delle proprietà, come la superconduttività a temperatura ambiente, promesse dall’idrogeno metallico [3].

Bibliografia

[1] P. Loubeyre, F. Occelli, P. Dumas, Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen., Nature, DOI: 10.1038/s41586-019-1927-3

[2] A. Dewaele, P. Loubeyre et al., Toroidal diamond anvil cell for detailed measurements under extreme static pressures. Nat. Commun. 2018, 9, 2913-2922.

[3] M. Somayazulu et al., Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures., Phys. Rev. Lett., 2019, 122, 027001.

[1]https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/06/10/ghiaccio-superionico-ottenuto-in-laboratorio/ https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/07/08/un-composto-stabile-dellelio-leliuro-di-sodio/

[2] Per completezza di informazione va detto che la notizia è stata data da Salvo Privitera, con una certa enfasi, il 28 giugno 2019, prima che l’articolo di Loubeyre et al. venisse accettato da Nature, il 26 novembre 2019. https://tech.everyeye.it/notizie/creato-idrogeno-metallico-materiale-contenuto-interno-giganti-gassosi-385844.html

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