Idrogeno metallico

Nella classificazione degli elementi si indica il loro stato di aggregazione e le loro proprietà tra cui quella di condurre calore ed elettricità tipica dei metalli. Si è portati quindi a ritenere che le proprietà di un metallo, un gas o un non metallo siano sempre gli stessi ma in realtà sono quelle che gli elementi esibiscono sulla Terra.

Nell’Universo in cui si verificano casi di pressione e temperatura inusitate sulla Terra si ha una modificazione delle le proprietà degli elementi: Plutone, ad esempio, è ricoperto di azoto solido, mentre in alcuni pianeti extrasolari, ovvero quei pianeti che orbitano attorno a una stella diversa dal Sole, la pioggia è costituita da metallo liquido.

Vicino ai nuclei dei giganti gassosi ovvero dei pianeti non costituiti prevalentemente da roccia, gli elementi sono sottoposti a pressioni estreme che sono in grado di riorganizzare gli orbitali atomici con conseguenti variazioni dei tipi di legame che osserviamo sulla Terra.

Già 80 anni fa i fisici Wigner e Huntington ipotizzarono l’esistenza di idrogeno metallico a pressioni estreme ma tali supposizioni non erano state supportate da evidenze sperimentali tanto che l’idrogeno metallico fu descritto come “il Santo Graal della fisica ad alta pressione”.

L’idrogeno è il più semplice degli elementi e, nella sua forma isotopica più diffusa, detta Protio, è costituito da un nucleo contenente un solo protone, e da un elettrone. È l’elemento più leggero e, secondo la meccanica quantistica, ha un’energia significativa anche a bassissime temperature motivo per il quale ha una temperatura di solidificazione di 14 gradi oltre lo zero assoluto.

Nel 2011 gli scienziati della NASA ipotizzarono che l’idrogeno metallico, metastabile a temperatura e pressione ambiente, potesse costituire il miglior combustibile chimico per i razzi in quanto gli atomi si sarebbero ricombinati spontaneamente per formare H₂ e si ipotizzò di iniettare elettroni all’idrogeno allo stato solido per trasformare l’idrogeno solido sotto forma molecolare in idrogeno metallico.

La metallizzazione dell’idrogeno che costituisce un esempio di materia degenere avviene con un cambiamento di fase della materia in cui si forma un reticolo cristallino costituito dai nuclei atomici dell’idrogeno ovvero da soli protoni con elettroni delocalizzati.

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Nel gennaio del 2016 secondo una pubblicazione di Dalladay-Simpson , Howie e Gregoryanz dell’Università di Edinburgo sul Journal Nature se si pone una piccola quantità di idrogeno tra due incudini di diamante e si sottopone il sistema a 384 GPa l’idrogeno diviene solido formando una struttura cristallina. E’ quindi la prima volta che si osserva idrogeno solido a temperatura ambiente e questa nuova forma della materia è stata detta Fase V. L’ampiezza della fenditura tra i due incudini di diamante non ha tuttavia consentito di introdurre un elettrodo che potesse rilevare la conducibilità del materiale.

Normalmente l’idrogeno si trova in forma molecolare e il legame avviene tra i due atomi che condividono i 2 elettroni di legame che si trovano in un orbitale molecolare di tipo σ. Questo  legame determina molte delle proprietà della molecola tra cui la lunghezza d’onda della luce assorbita quando gli elettroni passano a un livello eccitato. L’idrogeno molecolare è trasparente alla luce visibile in quanto non assorbe alcuna radiazione che ricade nel campo visibile.

I ricercatori hanno rilevato che quando l’idrogeno è stato reso solido, e secondo l’ipotesi si è metallizzato, deve essersi verificata la rottura del legame e la formazione di elettroni di conduzione che viene rivelata dalla comparsa di una colorazione scura del materiale come viene mostrato dalla luce visibile trasmessa e riflessa.

Essi si sono avvalsi anche della spettroscopia Raman che si basa sul fenomeno della diffusione di una radiazione elettromagnetica monocromatica proveniente da una sorgente laser da parte del campione.

Questa tecnica analitica fornisce informazioni sulla struttura dei livelli energetici vibrazionali molecolari. I due modi di vibrazione presenti in una molecola di H₂ iniziano a scomparire alla pressione con la quale è stato effettuato l’esperimento e le intensità dei rimanenti modi vibrazionali decrescono rapidamente.

Tuttavia poiché sono ancora presenti indizi di un legame i ricercatori ritengono che questa sia una fase nuova dell’idrogeno e ipotizzano che a pressioni maggiori si formi idrogeno metallico.