La struttura cristallina di Na2He è simile a una scacchiera tridimensionale. Le sfere viola sono gli atomi di sodio, all’interno di cubi verdi che rappresentano gli atomi di elio. Le regioni in rosso all’interno dei vuoti del reticolo mostrano le zone dove risiedono le coppie localizzate di elettroni. Crediti: per cortesia di Artem R. Oganov.
La sua formula chimica è Na2He, due atomi di sodio e uno di elio. Ma un nome, questo composto, non ce l’ha ancora, semplicemente perché finora non esisteva la chimica dell’elio. Il secondo elemento, sia per peso atomico che per abbondanza in natura, è infatti quello più schizzinoso della tavola periodica, totalmente restio a combinarsi con altri. Nel caso dell’elio, uno dei sei gas nobili costituiti da atomi con gusci elettronici completi, la definizione di inerte appariva una reale e definitiva condanna alla solitudine chimica.
Ma ora, in un articolo approdato dopo una lunga gestazione su Nature Chemistry, un gruppo internazionale di ricercatori spiega come, grazie a un algoritmo simile a quelli utilizzati per studiare l’evoluzione genetica, abbia predetto l’esistenza di due composti stabili dell’elio, Na2He and Na2HeO. Nello stesso studio, gli scienziati hanno poi confermato sperimentalmente Na2He, descrivendo dal punto di vista teorico le relative condizioni di stabilità.
Per ottenere Na2He, gli scienziati hanno utilizzato uno strumento particolare, una cella a incudini di diamante, simile a quella impiegata per produrre l’idrogeno metallico, di cui abbiamo scritto qui su Media Inaf pochi giorni fa. Dentro a tali presse si possono raggiungere pressioni incredibilmente elevate. Il composto Na2He è stato ottenuto a una pressione pari a circa 1.1 milioni di volte quella dell’atmosfera terrestre, mentre rimane stabile a partire da valori 10 volte superiori (a partire da 113 gigaPascal, per l’esattezza).
«Questa scoperta dimostra che l’elio non è completamente inerte come si pensava», commenta a Media Inaf Carlo Gatti dell’Istituto di scienze e tecnologie molecolari del Cnr di Milano, tra gli autori del nuovo studio. «In certe condizioni può formare dei composti stabili e addirittura assumere una carica negativa. Di fatto, quello che capita è la creazione di coppie elettroniche che occupano alternativamente le posizioni dell’elio».
Na2He appartiene infatti alla categoria dei cosiddetti elettruri – materiali cristallini simili a sali -, essendo costituito da un reticolo di ioni sodio carichi positivamente all’interno del quale si trova un sottoreticolo carico negativamente formato da coppie di elettroni localizzate.
Carlo Gatti. Crediti: UniMi
«Tali coppie di elettroni isolati hanno una topologia della densità elettronica che assomiglia a quella di un atomo, per cui possiamo vedere in questo composto la presenza di sodio depauperato di elettroni, elio leggerissimamente carico negativamente, e queste coppie elettroniche, che formano una struttura ordinata tipo calcio-fluorite», aggiunge Gatti, che ha contribuito allo studio proprio come esperto di legame chimico.
Il novello composto, qualunque nome avrà, difficilmente troverà applicazioni pratiche, nel caso lo si potesse mai produrre su scala industriale. È tuttavia di grande interesse per l’astrofisica, vista l’abbondanza dell’elio nel cosmo e la presenza di pressioni e temperature assai più estreme di quelle ottenute in laboratorio. Per esempio, nelle stelle di neutroni, al cui interno i renitenti composti dell’elio potrebbero indirettamente farci dare un’occhiata.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Chemistry l’articolo “A stable compound of helium and sodium at high pressure“, di Xiao Dong, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, Elissaios Stavrou, Sergey Lobanov, Gabriele Saleh, Guang-Rui Qian, Qiang Zhu, Carlo Gatti, Volker L. Deringer, Richard Dronskowski, Xiang-Feng Zhou, Vitali B. Prakapenka, Zuzana Konôpková, Ivan A. Popov, Alexander I. Boldyrev e Hui-Tian Wang
Correzione del 09.02.2017: il numero di gigaPascal è 113 e non 131 come riportato nella versione precedente; nel primo virgolettato dell’autore aggiunto “stabili” dopo “formare dei composti”; nel secondo virgolettato cambiato “sodio, elio depauperato di elettroni” con “sodio depauperato di elettroni, elio leggerissimamente carico negativamente”.