Si aprono grandi prospettive per superconduttori a temperatura ambiente, energia e razzi spaziali

Creato idrogeno metallico, si pensava fosse possibile solo teoricamente (VIDEO)

Gli scienziati di Harvard: è il Santo Gral della fisica ad alta pressione

[27 gennaio 2017]

Quasi un secolo dopo che è stato teorizzato, tre scienziati di Harvard, Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias dicono di essere riusciti a creare l’idrogeno atomico metallico il materiale più raro del pianeta, che potrebbe alla fine trasformarsi in uno di quelli più preziosi. La loro ricerca è descritta nello studio “Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen” pubblicato su Science.

Oltre ad aiutare gli scienziati a rispondere ad alcune domande fondamentali sulla natura della materia, il materiale potrebbe avere  una vasta gamma di applicazioni, compresa quella di superconduttore a temperatura ambiente.

Secondo Silvera «Questo è il Santo Graal della fisica ad alta pressione. E’ il primo esempio in assoluto di idrogeno metallico sulla Terra, quindi, quando o si guarda, si vede qualcosa che non è mai esistito prima».

Nella loro esperimenti, Silvera e Dias hanno pressato un minuscolo campione di idrogeno a 495 Gigapascal (GPa), o più di 71,7 milioni di libbre per pollice quadrato, che è maggiore della pressione al centro della Terra. «A tali pressioni estreme – spiega Silvera spiegato – l’idrogeno molecolare solido si rompe e le molecole strettamente legate si trasformano in idrogeno atomico, che è un metallo».

Lo studio apre la porta alla comprensione delle proprietà generali dell’idrogeno, ma offre anche spunti per realizzare nuovi materiali potenzialmente rivoluzionari. Infatti, si prevede che l’idrogeno metallico sia  essere meta-stabile e per  Silvera. «Questo significa che se si toglie la pressione rimarrà metallico, simile alla maniera in cui si formano i diamanti dalla grafite sottoposta a calore e pressione intensi, ma restano i diamanti quando la pressione e il calore vengono tolti. Capire se il materiale è stabile è importante, perché le previsioni indicano che l’idrogeno metallico potrebbe agire come un superconduttore a temperatura ambiente. Per quanto il 15% per cento dell’energia vada persa per dissipazione durante la trasmissione, quindi  se si potessero fare fili da questo materiale e utilizzarli nella rete elettrica, potrebbe cambiare la storia».

Dias spiega a sua volta che «Un superconduttore a temperatura ambiente potrebbe cambiare il nostro sistema di trasporti, rendendo possibile la levitazione magnetica dei treni ad alta velocità, oltre a rendere le auto elettriche più efficienti e migliorare le prestazioni di molti dispositivi elettronici. Il materiale potrebbe anche fornire importanti miglioramenti nella produzione e stoccaggio di energia, Dato che i superconduttori hanno resistenza zero, bobine  superconduttrici potrebbero essere utilizzate per stoccare l’energia in eccesso, che potrebbe poi essere utilizzata ogni volta che è necessario. L’idrogeno metallico potrebbe anche svolgere un ruolo chiave per aiutare gli esseri umani ad esplorare i confini dello spazio, come propellente più potente per i razzi».

Silvera sottolinea anche che «Ci vuole una quantità enorme di energia per produrre l’idrogeno metallico. E se si converte di nuovo in idrogeno molecolare, tutta l’energia viene rilasciata, il che lo renderebbe il più potente razzo a propellente che l’uomo conosca, e potrebbe rivoluzionare la missilistica».

I più potenti combustibili oggi in uso  sono caratterizzati da un “impulso specifico” (una misura, in secondi, di quanto velocemente un propellente viene “sparato” da un razzo) di 450 secondi. Si teorizza che l’impulso specifico per l’idrogeno metallico sia di 1.700 secondi. «Potrebbe facilmente consentire di esplorare i pianeti esterni – dice Silvera – Saremmo in grado di mettere in orbita missili con un solo stadio, contro due, e si potrebbero inviare fino carichi utili più grandi, cosa che sarebbe  molto importante».

Nei loro esperimenti, Silvera e Dias hanno utilizzato uno dei materiali più duri della Terra, il diamante, ma hann utilizzato due piccoli pezzi di diamante sintetico, accuratamente lucidati  e trattati per renderli ancora più duri. Poi li hanno montati uno di fronte all’altro su un dispositivo noto come cella ad incudine di diamante.

«I diamanti vengono lucidati con polvere di diamante, che piò togliere il  carbonio dalla superficie – spiega Silvera – Quando abbiamo guardato il diamante usando l’atomic force microscopy, abbiamo scoperto dei difetti, che potrebbero indebolirlo o  spezzarlo. La soluzione è stata quella di utilizzare un processo reactive ion etching per radere un piccolo strato – solo cinque micron di spessore, o circa un decimo dello spessore di un capello umano – dalla superficie del diamante. Il diamante è stato poi rivestito con un sottile strato di allumina per impedire all’l’idrogeno di diffondersi nella struttura cristallina e infragilirla. Dopo più di quattro decenni di lavoro sull’idrogeno metallico, e quasi un secolo dopo la sua prima teorizzazione, è stato emozionante vedere i risultati. E’ stato davvero emozionante. Ranga ha eseguito l’esperimento e pensavan mo di potercela fare, ma quando mi ha chiamato e ha detto, “Il campione è brillante”, sono corso lì, ed era idrogeno metallico. Ho detto subito che dovevamo fare le misurazioni per confermarlo, quindi abbiamo risistemato il laboratorio … e questo è quello che abbiamo fatto».

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