superidruro di cerio, un composto "proibito". Credito:@tsarcyanide/MIPT
Ricercatori dagli Stati Uniti, Russia, e la Cina hanno piegato le regole della chimica classica e hanno sintetizzato un composto "proibito" di cerio e idrogeno:CeH 9 —che mostra superconduttività a una pressione relativamente bassa di 1 milione di atmosfere. Il giornale è uscito in Comunicazioni sulla natura .
I superconduttori sono materiali in grado di condurre una corrente elettrica senza alcuna resistenza. Sono dietro i potenti elettromagneti negli acceleratori di particelle, treni Maglev, scanner per risonanza magnetica, e potrebbe teoricamente abilitare linee elettriche che portano elettricità da A a B senza perdere i preziosi kilowatt per dissipazione termica.
Sfortunatamente, i superconduttori conosciuti oggi possono funzionare solo a temperature molto basse (inferiori a -138 gradi Celsius), e l'ultimo record (-13 gradi Celsius) richiede pressioni estremamente elevate di quasi 2 milioni di atmosfere. Ciò limita la portata delle loro possibili applicazioni e rende costose le tecnologie superconduttive disponibili, poiché mantenere le loro condizioni operative abbastanza estreme è impegnativo.
Le previsioni teoriche suggeriscono che l'idrogeno è un potenziale candidato per la superconduttività a temperatura ambiente. Però, portare l'idrogeno in uno stato superconduttivo richiederebbe una pressione tremenda di circa 5 milioni di atmosfere; confrontare con 3,6 milioni di atmosfere al centro della Terra. Compresso così forte, si trasformerebbe in un metallo, ma ciò vanificherebbe lo scopo di operare a condizioni standard.
"L'alternativa alla metallizzazione dell'idrogeno è la sintesi dei cosiddetti composti "proibiti" di qualche elemento:lantanio, zolfo, uranio, cerio, ecc. e idrogeno, con più atomi di quest'ultimo rispetto a quanto consentito dalla chimica classica. Quindi normalmente, potremmo parlare di una sostanza con una formula come CeH 2 o CeH 3 . Ma il nostro superidruro di cerio, CeH 9 — contiene molto più idrogeno, dotandolo di proprietà eccitanti, " ha spiegato un autore dello studio, Professor Artem R. Oganov di Skoltech e dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT).
Mentre gli scienziati dei materiali perseguono la superconduttività a temperature più elevate e pressioni più basse, uno può venire a scapito dell'altro. "Mentre il superidruro di cerio diventa superconduttivo solo una volta raffreddato a -200 gradi Celsius, questo materiale è notevole in quanto è stabile a una pressione di 1 milione di atmosfere, meno di quanto richiedono i superidruri di zolfo e lantanio precedentemente sintetizzati. D'altra parte, il superidruro di uranio è stabile a una pressione ancora più bassa, ma ha bisogno di molto più raffreddamento, " ha aggiunto il coautore Ivan Kruglov, ricercatore presso MIPT e Dukhov Research Institute of Automatics.
Per sintetizzare il loro superconduttore "impossibile", gli scienziati hanno posizionato un campione microscopico del cerio metallico in una cella di incudine di diamante, insieme a una sostanza chimica che rilascia idrogeno quando riscaldata, in questo caso, con un laser. Il campione di cerio è stato schiacciato tra due diamanti piatti per consentire la pressione necessaria per la reazione. Man mano che la pressione cresceva, idruri di cerio con una proporzione progressivamente maggiore di idrogeno formati nel reattore:CeH 2 , CeH 3 , eccetera.
Il team ha quindi utilizzato l'analisi di diffrazione dei raggi X per discernere le posizioni degli atomi di cerio e quindi rivelare indirettamente la struttura del nuovo composto. Il CeH 9 il reticolo cristallino è composto da gabbie di 29 atomi di idrogeno in una formazione quasi sferica. Gli atomi in ciascuna gabbia sono tenuti insieme da legami covalenti, non dissimili da quelli del familiare H 2 molecola del gas idrogeno, ma un po' più debole. Ogni gabbia fornisce una cavità che ospita un atomo di cerio
L'avvento dell'USPEX, sviluppato da Skoltech e Artem Oganov del MIPT, e altri algoritmi informatici che prevedono la struttura cristallina di composti "proibiti" in precedenza inauditi ha permesso ai ricercatori di studiare gli idruri di un singolo metallo nei minimi dettagli. Il prossimo passo è aggiungere un terzo elemento al mix:i tripli composti di idrogeno e due metalli sono un territorio inesplorato. Poiché il numero di combinazioni possibili è grande, i ricercatori stanno valutando l'utilizzo di algoritmi di intelligenza artificiale per selezionare i candidati più promettenti.
