Composto superconduttore “impossibile” sintetizzato dagli scienziati


Il campione all’interno della cella dell’incudine di adiamante collegato con quattro elettrodi. Credito: Progressi della scienza

Gli scienziati hanno creato nuovi composti superconduttori di idrogeno e praseodymium, un metallo di terre rare, una sostanza è piuttosto una sorpresa dal punto di vista della chimica classica. Lo studio ha aiutato a trovare i metalli ottimali per i superconduttori a temperatura ambiente. I risultati sono stati pubblicati su Science Advances.

Una teoria che si è evoluta negli ultimi quindici anni presuppone che i composti di idrogeno (irideri) possano essere superconduttori eccellenti; vale a dire, sostanze che hanno resistenza elettrica zero quando raffreddate a una certa temperatura e sono in grado di trasportare elettricità senza perdite, il che è particolarmente prezioso per le reti elettriche. Tuttavia, il punto fermo che gli scienziati stanno ancora cercando di capire è la temperatura alla quale una sostanza raggiunge la superconduttività. Per la maggior parte dei composti è molto basso, quindi i superconduttori utilizzati nella vita reale sono in genere raffreddati con elio liquido utilizzando apparecchiature complesse e costose. I fisici sono impegnati a cercare una sostanza che raggiunga la superconduttività a temperatura ambiente. Uno dei candidati probabili è l’idrogeno metallico, ma la pressione necessaria per produrlo supera i 4 milioni di atmosfere!

Un gruppo di scienziati russi di Skoltech e ricercatori cinesi dell’Università di Jilin ha pubblicato un articolo, con Dmitry Semenok e Di ‘ho u e i primi autori, con i loro risultati di ricerca. Il loro team ha creato composti di idrogeno e praseodymioum, un metallo della serie lanthanide, e ha studiato le loro proprietà fisiche. Gli autori sintetizzano diversi composti con diversi rapporti di atomi per ogni elemento. Per fare questo, hanno posizionato campioni di praseodymio e idrogeno in una camera speciale dove sono stati pressati tra due diamanti a forma di cono in modo che la pressione è aumentata a 40 GPa, e sono stati riscaldati al laser. Gli elementi sono stati compressi e hanno reagito per formare il composto PrH3. Il rovescio della medaglia è che i diamanti tendono a diventare troppo fragili e si rompono quando entrano in contatto con l’idrogeno.

Gli scienziati hanno quindi sostituito l’idrogeno puro con l’ammonio borane, un composto contenente una grande quantità di idrogeno prontamente rilasciato durante il riscaldamento e la reazione con il praseodimium. I ricercatori hanno trovato questo metodo per essere più efficace e hanno continuato ad usarlo in ulteriori esperimenti. Aumentando la pressione, hanno ottenuto PrH9. In precedenza, avevano sintetizzato composti di idrogeno e lantano, un altro metallo della stessa serie, usando la stessa tecnica. Le molecole che hanno ottenuto sono speciali in quanto sono un “fuorilegge” nella chimica classica, in quanto non obbediscono alle sue regole. Anche se, formalmente, la struttura elettronica dell’atomo del praseodymio è tale che non gli permette di legare con tanti altri atomi, l’esistenza di tali composti “impropri” può essere prevista da calcoli quantistici complessi e dimostrata da esperimenti.

Inoltre, gli scienziati hanno studiato la superconduttività delle nuove sostanze misurando la resistenza elettrica a diverse temperature e pressioni e hanno scoperto che l’idrato di praseodimio diventa superconduttore a -264 gradi centigradi, che è molto più basso rispetto a LaH10, anche se i due composti sono simili sia chimicamente che strutturalmente. Gli autori hanno esaminato le ragioni della differenza nelle caratteristiche confrontandoi i loro risultati con altri studi e hanno scoperto che la posizione del metallo nella tavola periodica e nelle sue proprietà svolgono un ruolo fondamentale. È emerso che gli atomi di praseodymium agiscono come donatori di elettroni: a differenza dei loro vicini, del lantano e del cerio, trasportano piccoli momenti magnetici che sopprimono la superconduttività che può ancora verificarsi, anche se a temperature più basse.

“Abbiamo applicato il metodo usato in precedenza per sintetizzare gli hydrides di lanthanum e siamo riusciti a creare nuovi hydrides di praseodimium metallico superconduttori. Abbiamo fatto due conclusioni principali. In primo luogo, è possibile ottenere composti anormali con composizioni che non hanno nulla a che fare con la valenza; cioè, il numero di legami che un atomo può avere con altri atomi. In secondo luogo, abbiamo convalidato il nuovo principio per la creazione di superconduttori. Abbiamo scoperto che i metalli della “zona di labilità” situata tra i gruppi II e III della tavola periodica sono i migliori candidati. Gli elementi più vicini alla “zona di labilità” sono il lantano e il cerio. In futuro, procederemo da questa scoperta per ottenere nuovi superconduttori ad alta temperatura,” ha detto Skoltech e professore MIPT, Artem Oganov.

Riferimento: “Superconduttore praseodymium superhydrides” di Di ‘hou, Dmitrii V. Semenok, Defang Duan, Hui Xie, Wuhao Chen, Xiaoli Huang, Xin Li, Bingbing Liu, Artem R. Oganov e Tian Cui, 28 febbraio 2020, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.aax6849

Il progetto è stato sostenuto da una sovvenzione del Programma Presidenziale per lo sviluppo di progetti di ricerca di laboratorio di livello mondiale della Russian Science Foundation (RSF).