Per caso, e per la prima volta, gli scienziati hanno formato idruro d’oro binario solido, un composto costituito esclusivamente da atomi di oro e idrogeno. Questa scoperta potrebbe aprire la strada allo studio di materiali in condizioni estreme come quelle che si trovano all’interno di alcuni pianeti e stelle in fase di fusione nucleare.
Diamanti e idruro d’oro: la sorprendente chimica sotto pressione estrema
I ricercatori, guidati dal SLAC National Accelerator Laboratory degli Stati Uniti, stavano studiando quanto tempo impiegano gli idrocarburi, composti di carbonio e idrogeno, a formare diamanti sotto pressione e calore estremamente elevati.
Nei loro esperimenti presso l’XFEL (laser a raggi X a elettroni liberi) europeo in Germania, il team ha studiato l’effetto di queste condizioni estreme su campioni di idrocarburi con una lamina d’oro incastonata, progettata per assorbire i raggi X e riscaldare gli idrocarburi a basso assorbimento. Con loro grande sorpresa, non solo hanno osservato la formazione di diamanti, ma hanno anche scoperto la formazione di idruro d’oro.
“È stato inaspettato, poiché l’oro è solitamente molto noioso dal punto di vista chimico e poco reattivo; per questo lo abbiamo utilizzato come assorbente di raggi X in questi esperimenti”, ha affermato in un comunicato Mungo Frost, scienziato dello SLAC che ha condotto lo studio.
Questi risultati suggeriscono che esiste il potenziale per scoprire una grande quantità di nuova chimica in condizioni estreme, dove gli effetti della temperatura e della pressione iniziano a competere con la chimica convenzionale, consentendo la formazione di questi composti esotici.
I risultati, pubblicati su Angewandte Chemie International Edition, offrono una visione di come cambiano le regole della chimica in condizioni estreme, come quelle che si trovano all’interno di alcuni pianeti o stelle in fusione di idrogeno.
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno prima sottoposto i campioni di idrocarburi a pressioni superiori a quelle del mantello terrestre utilizzando una cella a incudine di diamante. Successivamente, hanno riscaldato i campioni a oltre 1.770 °C colpendo ripetutamente con impulsi di raggi X provenienti dal XFEL europeo.
Idrogeno ‘superionico’ e oro: la strana coppia che potrebbe rivoluzionare la scienza
Come previsto, i modelli di dispersione registrati hanno mostrato che gli atomi di carbonio avevano formato una struttura diamantata. Tuttavia, il team ha anche osservato segnali inaspettati dovuti alla reazione degli atomi di idrogeno con la lamina d’oro per formare idruro d’oro. Nelle condizioni estreme create nello studio, i ricercatori hanno scoperto che l’idrogeno si trovava in uno stato denso, “superionico”, in cui gli atomi di idrogeno fluivano liberamente attraverso la rigida rete atomica dell’oro, aumentando la conduttività dell’idruro d’oro.
L’idrogeno, l’elemento più leggero della tavola periodica, è difficile da studiare con i raggi X perché li disperde debolmente. Tuttavia, in questo caso, l’idrogeno superionico ha interagito con gli atomi di oro, molto più pesanti, e il team ha potuto osservare l’impatto dell’idrogeno sul modo in cui la rete dell’oro disperdeva i raggi X.
“Possiamo usare la rete dell’oro cometestimone di ciò che fa l’idrogeno”, ha affermato Mungo.
L’idruro d’oro offre un modo per studiare l’idrogeno atomico denso in condizioni che potrebbero essere applicate anche ad altre situazioni non direttamente accessibili tramite esperimenti. Ad esempio, l’idrogeno denso costituisce l’interno di alcuni pianeti, quindi studiarlo in laboratorio potrebbe insegnarci di più su questi mondi alieni.
Potrebbe anche fornire nuove conoscenze sui processi di fusione nucleare in stelle come il nostro Sole e aiutare lo sviluppo di tecnologie per sfruttare l’energia da fusione qui sulla Terra.
Oltre a gettare le basi per gli studi sull’idrogeno denso, la ricerca offre anche un modo per esplorare nuove proprietà chimiche. È stato scoperto che l’oro, comunemente considerato un metallo non reattivo, forma un idruro stabile a pressioni e temperature estremamente elevate.
Raffreddandosi, si separano
Infatti, sembra essere stabile solo in quelle condizioni estreme, poiché quando si raffredda, l’oro e l’idrogeno si separano. Le simulazioni hanno anche mostrato che più idrogeno potrebbe entrare nella rete dell’oro a pressioni più elevate.
Il quadro di simulazione potrebbe anche estendersi oltre l’idruro d’oro.
“È importante poter produrre e modellare sperimentalmente questi stati in condizioni estreme”, ha affermato Siegfried Glenzer, direttore della Divisione Densità ad Alta Energia e professore di scienze fotoniche presso lo SLAC, nonché ricercatore principale dello studio. “Questi strumenti di simulazione potrebbero essere applicati per modellare altre proprietà di materiali esotici in condizioni estreme”.