I metalli elementari di solito formano semplici, strutture cristalline compatte. Sebbene il litio (Li) sia considerato un tipico metallo semplice, la sua struttura cristallina a pressione ambiente e bassa temperatura rimane sconosciuta.

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno recentemente escogitato una tecnica per ottenere informazioni strutturali per Li in condizioni in cui i metodi cristallografici tradizionali sono insufficienti. Utilizzando questa metodologia, un enigma decennale potrebbe finalmente essere risolto.

Li è il metallo più leggero e l'elemento solido meno denso in condizioni ambientali. Li e i suoi composti hanno diverse applicazioni industriali, compresi vetro e ceramica resistenti al calore, lubrificanti a base di grasso al litio, additivi fondenti per ferro, produzione di acciaio e alluminio, batterie al litio e batterie agli ioni di litio. Questi usi consumano più di tre quarti della produzione di litio.

"La superconduttività dei metalli alcalini, e Li, è un tema dibattuto da molti anni, " ha detto Stanimir Bonev, LLNL autore principale di un articolo apparso in una recente edizione di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "Solo di recente è stata osservata la superconduttività in Li a pressione ambiente. Ma per comprendere le proprietà del superconduttore, è essenziale conoscere la struttura cristallina."

A complemento dei metodi cristallografici, il team LLNL ha proposto misurazioni delle oscillazioni del momento magnetico del cristallo in un campo magnetico esterno. Il team ha eseguito un'analisi teorica che mostra che lo spettro delle risonanze delle oscillazioni è abbastanza caratteristico per le diverse strutture di Li. Un confronto con i dati sperimentali esistenti indica che la fase a bassa temperatura di Li è incompatibile con la struttura 9R (nove strati sovrapposti esagonali) precedentemente assegnata.

Li ha proprietà molto interessanti ad alta pressione. Quando viene compresso a bassa temperatura, la sua temperatura critica superconduttiva aumenta, da 0,4 millikelvin a pressione ambiente a 20 kelvin a circa 500, 000 atmosfere di pressione. Quindi si trasforma in un semiconduttore, poi di nuovo su un metallo a pressione più alta, ma con una struttura molto complessa.

Per anni, gli scienziati hanno cercato di capire lo strano comportamento del litio. Teoricamente, ci sono diverse strutture che sono molto vicine in energia. Per determinare definitivamente quale di loro ha l'energia più bassa in assoluto, ed è quindi la struttura di equilibrio, richiede un'enorme precisione nei calcoli. Allo stesso tempo, a causa della sua massa atomica leggera, la dinamica degli atomi di Li è significativa anche a bassa temperatura e questo rende ancora più difficile raggiungere tale precisione.

Dal punto di vista sperimentale, poiché Li è un elemento a basso Z, ha una risposta relativamente debole ai raggi X e ai neutroni, quali sono i metodi tradizionali per determinare la struttura cristallina. Il passaggio alla fase di bassa temperatura è graduale e rompe anche il campione monocristallino.

In un campione policristallino, è possibile avere una miscela di più fasi. Di conseguenza, le misure di scattering (raggi X e neutroni) possono e sono state interpretate in modi diversi.

"È difficile identificare in modo definitivo quale sia la struttura con questi altri metodi da soli, " ha detto Bonev. "Ci sono solo pochi picchi di diffrazione ben pronunciati e corrispondono a diverse strutture. Le misurazioni ovviamente diventano più difficili ad alta pressione. Con il metodo che proponiamo, queste difficoltà vengono aggirate".

La ricerca compare nell'edizione del 23 maggio di PNAS .