Idrogeno metallico, ovvero la teoria diventa realtà

Quasi dopo un secolo da quando ne fu teorizzata la possibile realizzazione, due scienziati di Harvard sono riusciti ad ottenere il più raro e, potenzialmente, uno dei più preziosi materiali della Terra.

Si tratta dell’atomo di idrogeno metallico, che è stato realizzato in un laboratorio statunitense da Isaac Silvera, fisico esperto delle alte pressioni, e da Ranga Dias, entrambi ricercatori del Dipartimento di Fisica presso l’Università di Harvard.

Oltre ad aiutare gli scienziati a rispondere a quesiti fondamentali sulla natura della materia, il nuovo elemento potrebbe trovare una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’uso come superconduttore a temperatura ambiente.

Compressione dell’idrogeno molecolare per mezzo dell’incudine di diamante che lo converte in idrogeno atomico, come mostrato a destra (credit: R.Dias e F. Silvera)

La realizzazione dell’esperimento, dal sapore fantascientifico, è stata descritta in un recente articolo comparso nel mese di gennaio sulla rivista Science.

“Questo è il primo esempio in assoluto di idrogeno metallico sulla Terra. Siamo di fronte a qualcosa mai visto prima”, afferma infatti Silvera.

Per ottenerlo, Silvera e Dias hanno sottoposto un campione sottile di idrogeno ad una pressione di 495 gigapascal, equivalenti a circa 5 milioni di atmosfere; una pressione che, in natura, non si raggiunge neppure al centro della Terra.

A queste pressioni estreme, dice Silvera, le molecole di idrogeno solido si rompono, spezzando le tenaci forze dei legami e trasformandosi in idrogeno atomico, che è un metallo.

Mentre il risultato dell’esperimento apre una visione del tutto nuova alla comprensione delle proprietà generiche dell’idrogeno, offre anche spunti interessanti sui nuovi materiali, potenzialmente rivoluzionari, che ne potrebbero conseguire.

“L’implicazione principale è che l’idrogeno metallico è caratterizzato da una fase meta-stabile”, dice Silvera. “Questo significa che, diminuendo la pressione, l’idrogeno rimane metallico anche a temperatura ambiente, allo stesso modo in cui si formano i diamanti dalla grafite in condizioni di alte pressioni e temperature, ma rimangono diamanti anche quando si riportano in condizioni di temperature e pressione normali”.

Questo è un aspetto importante del nuovo materiale, perché l’idrogeno metallico, a temperatura ambiente, potrebbe agire come un superconduttore.

“Sarebbe rivoluzionario”, dichiara Silvera. “Anche se il 15 per cento di energia viene dissipata durante la trasmissione, qualora si potessero fabbricare dei fili di questo materiale, questi potrebbero venire usati nella rete elettrica. Un cambiamento che definirei storico”.

Dias aggiunge che un superconduttore, a temperatura ambiente, avrebbe una resistenza pari a zero e questo potrebbe cambiare radicalmente il nostro sistema di trasporto, rendendo possibile la levitazione magnetica dei treni ad alta velocità, oltre a rendere più efficienti le auto elettriche e migliorare le prestazioni di molti dispositivi elettronici.

L’idrogeno metallico potrebbe trovare applicazione nella produzione e nello stoccaggio di energia elettrica, che potrebbe costituire così una ‘riserva’, in caso di necessità.

“Per produrre idrogeno metallico è necessaria una grande quantità di energia”, spiega Silvera.

“E volendolo convertire nuovamente in idrogeno molecolare, tutta questa energia verrebbe rilasciata, cosicchè si otterrebbe il propellente per razzi più potente mai conosciuto finora, rivoluzionando completamente la missilistica”.

Oltre ad avere il potenziale per trasformare la vita sul nostro pianeta, l’idrogeno metallico, come propellente per razzi, potrebbe così svolgere un ruolo chiave nelle esplorazioni spaziali al di fuori del nostro Sistema solare.

“Sarebbe di certo molto più agevole esplorare i pianeti esterni”, afferma Silvera, continuando a immaginare scenari futuristici. “Saremmo in grado di mettere in orbita missili ad un solo stadio invece di due, come avviene oggi, e si potrebbero inviare nello spazio navicelle con carichi di dimensioni maggiori, sia di materiali che di strumentazioni”.

Ma come è stato ottenuto questo materiale?

Servendosi di uno dei materiali più duri sulla Terra, il diamante.

Al diamante naturale Silvera e Dias hanno preferito due sezioni sottili di diamante sintetico accuratamente lucidato, che sono state poi trattate per aumentarne la durezza e quindi montate una di fronte all’altra, in un dispositivo noto come cella ad incudine di diamante”.

“I diamanti sono stati lucidati con polvere di diamante per asportare residui di carbonio dalla superficie e quindi ne abbiamo tagliato un sottile strato di soli cinque micron di spessore (un decimo di un capello umano) dalla superficie.

“Abbiamo rivestito i diamanti con un sottilissimo strato di allumina per impedire la diffusione dell’idrogeno nella struttura cristallina, con il rischio che divenisse più fragile”.

Dopo 40 anni di tentativi per produrre l’idrogeno metallico e quasi un secolo dopo la sua teorizzazione, vedere realizzato per la prima volta il frutto di tanta ricerca è stato realmente emozionante per i due ricercatori.