Il nuovo lavoro di Ivan Naumov e Russell Hemley di Carnegie approfondisce la chimica alla base di alcune sorprendenti osservazioni recenti sull'idrogeno, e rivela notevoli paralleli tra idrogeno e grafene sotto pressioni estreme. Il loro lavoro è la storia di copertina nel numero di dicembre di Conti di ricerca chimica .

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nel cosmo. Con un solo elettrone per atomo, è ingannevolmente semplice. Di conseguenza, l'idrogeno è stato un banco di prova per le teorie del legame chimico sin dalla nascita della meccanica quantistica un secolo fa. Comprendere la natura del legame chimico in ambienti estremi è fondamentale per espandere la nostra comprensione della materia nell'ampia gamma di condizioni presenti nell'universo.

L'osservazione del comportamento dell'idrogeno a pressioni molto elevate è stata una grande sfida per i ricercatori. Ma recentemente i team sono stati in grado di osservare che a pressioni da 2 a 3,5 milioni di volte la normale pressione atmosferica si trasforma in una struttura inaspettata costituita da fogli stratificati, piuttosto che un metallo compatto come era stato previsto molti anni fa.

Questi fogli di idrogeno assomigliano al grafene composto di carbonio. Gli strati di grafene sono costituiti ciascuno da una struttura a nido d'ape composta da anelli di carbonio a sei atomi. Questo convenzionale grafene al carbonio, sintetizzato per la prima volta circa un decennio fa, è molto leggero, ma incredibilmente forte, e conduce calore ed elettricità in modo molto efficiente. Queste proprietà promettono una tecnologia rivoluzionaria, compresa l'elettronica ottica avanzata per gli schermi, celle fotovoltaiche ad alto funzionamento, e batterie potenziate e altri dispositivi di accumulo di energia.

Il nuovo lavoro di Naumov e Hemley mostra che la stabilità dell'insolita struttura dell'idrogeno deriva dalla stabilità intrinseca dei suoi anelli di idrogeno. Questi anelli si formano a causa della cosiddetta aromaticità, che è ben compreso nelle molecole contenenti carbonio come il benzene, così come nel grafene. Le strutture aromatiche assumono una forma ad anello che può essere pensata come un'alternanza di atomi di carbonio a legame singolo e doppio. Ma ciò che accade in realtà è che gli elettroni che compongono questi legami teoricamente alternati si delocalizzano e fluttuano in un cerchio condiviso intorno all'interno dell'anello, stabilità crescente.

Lo studio di Naumov e Hemley indica anche che l'idrogeno inizialmente diventa un metallo scuro scarsamente conduttore come la grafite invece di un metallo lucido convenzionale e un buon conduttore, come è stato originariamente suggerito nei calcoli teorici risalenti agli anni '30 utilizzando i primi modelli di meccanica quantistica per i solidi.

Sebbene la scoperta di questo carattere a strati di idrogeno denso sia stata una sorpresa per molti, i chimici 30 anni fa, prima della scoperta del grafene, predissero la struttura sulla base di semplici considerazioni chimiche. Il loro lavoro è convalidato e ampliato dalle nuove scoperte.

"Globale, i nostri risultati indicano che il legame chimico si verifica in una gamma di condizioni molto più ampia di quanto le persone avessero considerato in precedenza. Però, gli effetti strutturali di quel legame chimico in condizioni estreme possono essere molto diversi da quelli osservati nelle condizioni ordinarie che ci sono familiari, " ha detto Hemley.