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Ecco a voi l’idrogeno metallico

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Fotografie della transizione dell’idrogeno compresso, all’aumentare della pressione, da trasparente a nero molecolare a atomico molecolare. Crediti: R. Dias e I.F. Silvera

Isaac SilveraRanga Dias, ricercatori del Lyman Laboratory of Physics alla Harvard University di Cambridge, negli USA, attraverso una speciale morsa con punte di diamante sono riusciti a creare idrogeno metallico, quello che viene considerato come il “sacro Graal” della fisica delle altissime pressioni, essendo stato teorizzato quasi un secolo fa ma finora mai dimostrato in maniera inequivocabile, anche se studi recenti (come questo dell’Università di Edimburgo) ci erano andati molto vicino.

Ranga Dias e Isaac Silvera, ricercatori del Lyman Laboratory of Physics alla Harvard University di Cambridge. Crediti: Harvard University.

Oltre a consentire agli scienziati di rispondere a quesiti fondamentali sulla natura stessa della materia, si ritiene che questo materiale  possa avere un’ampia gamma di applicazioni pratiche, compresa la realizzazione di superconduttori a temperatura ambiente. Il procedimento con cui Silvera e Dias hanno ottenuto questo materiale – certamente il più raro sulla faccia della Terra e, potenzialmente, uno dei più preziosi – è descritto sull’ultimo numero della rivista Science.

Per crearlo in laboratorio, i due ricercatori hanno torchiato all’inverosimile un minuscolo campione di idrogeno, imprimendogli una pressione di 495 gigaPascal, un livello che non si sperimenta nemmeno al centro della Terra. A tali pressioni estreme l’idrogeno molecolare solido – che consiste di molecole disposte nel reticolo tipico dei solidi – si rompe, e le molecole si dissociano per trasformarsi in idrogeno atomico, che è un metallo.

«Una previsione molto importante è che l’idrogeno metallico sia meta-stabile», dice Silvera. «Ciò significa che rimarrà metallico anche quando si smette di esercitare la pressione, come i diamanti sintetici prodotti sottoponendo la grafite ad alte temperature e pressioni». Se il materiale rimane stabile, si potrà quindi verificare se effettivamente l’idrogeno metallico agisca come un superconduttore a temperatura ambiente. «Che sarebbe rivoluzionario», aggiunge Silvera, «visto che, con un conduttore tradizionale, il 15 per cento dell’energia elettrica viene persa dalla dissipazione durante la trasmissione».

Non solo risparmio energetico, ma una pletora di applicazioni pratiche trarrebbe beneficio da un siffatto materiale, ad esempio rendendo possibili sistemi di trasporto a levitazione magnetica, aumentando l’efficienza delle vetture elettriche e migliorando, in generale, le prestazioni di molti dispositivi elettronici e dei sistemi di produzione e immagazzinamento dell’energia.

L’idrogeno metallico è poi, in sé, un’incredibile riserva di energia, proporzionale all’enorme quantità di energia necessaria a crearlo. Questo lo renderebbe perfetto come propellente per razzi spaziali, molto più potente degli attuali, rendendo l’esplorazione spaziale più abbordabile di quanto lo sia ora.

Rappresentazione di un’incudine di diamante che comprime idrogeno molecolare fino a convertirlo in idrogeno atomico. Crediti: R. Dias e I.F. Silvera

Per creare il nuovo materiale, Silvera e Dias hanno utilizzato un dispositivo noto come cella a incudine di diamante, dove sono utilizzati diamanti sintetici, accuratamente lucidati mediante un processo di corrosione reattiva mediante ioni e poi ricoperti da un sottilissimo strato di ossido d’alluminio per impedire che l’idrogeno penetri nella loro struttura cristallina.

Dopo più di quarant’anni di esperimenti sull’idrogeno metallico, e molti più decenni dalla sua teorizzazione, vedere il materiale per la prima volta, è stata un’enorme emozione per i ricercatori. «Quando Ranga, che conduceva l’esperimento in laboratorio, mi ha chiamato dicendomi “Il campione risplende”, sono immediatamente corso di sotto, ed era effettivamente idrogeno metallico», ricorda Silvera. «È un risultato straordinario, e, anche se al momento esiste solo all’interno di questa cella a incudine di diamante ad alta pressione, è una scoperta fondamentale e molto innovativa».

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