Il sodio, un elemento chimico comunemente noto per il suo ruolo nel sale da cucina, ha rivelato un comportamento sorprendente quando sottoposto a pressioni estreme. Gli scienziati hanno scoperto che, in queste condizioni, gli elettroni del sodio rimangono legati agli atomi, trasformando il metallo in un isolante trasparente. Questa scoperta sfida le teorie precedenti e fornisce nuove intuizioni sul comportamento atomico della materia all’interno dei corpi celesti.
Il comportamento degli elettroni del sodio
Viaggiando in profondità al di sotto della superficie terrestre o all’interno del centro del Sole, la materia cambia a livello atomico. La crescente pressione all’interno di stelle e pianeti può causare la trasformazione dei metalli in isolanti non conduttori. Il sodio, in particolare, si trasforma da un metallo grigio lucente in un isolante trasparente e simile al vetro quando compresso a sufficienza.
Le implicazioni per la comprensione dei corpi celesti
“Stiamo rispondendo a una domanda molto semplice sul perché il sodio diventa un isolante, ma prevedere come si comportano altri elementi e composti chimici a pressioni molto elevate potenzialmente fornirà intuizioni su questioni più ampie”, afferma Eva Zurek, professore di chimica presso l’Università di Buffalo. “Come è l’interno di una stella? Come vengono generati i campi magnetici dei pianeti, se esistono? E come evolvono stelle e pianeti? Questo tipo di ricerca ci avvicina a rispondere a queste domande”.
Una nuova comprensione dei fenomeni ad alta pressione
Uno studio guidato dall’Università di Buffalo ha rivelato il legame chimico dietro questo particolare fenomeno ad alta pressione. Mentre si teorizzava che l’alta pressione spremesse essenzialmente gli elettroni del sodio negli spazi tra gli atomi, i calcoli chimico-quantistici dei ricercatori mostrano che questi elettroni appartengono ancora molto agli atomi circostanti e sono chimicamente legati tra loro.
Sfida alle teorie stabilite
Lo studio conferma e amplia le previsioni teoriche del defunto fisico Neil Ashcroft, a cui lo studio è dedicato. Si pensava una volta che i materiali diventassero sempre metallici sotto alta pressione, come l’idrogeno metallico teorizzato per costituire il nucleo di Giove, ma un documento fondamentale di Ashcroft e Jeffrey Neaton di due decenni fa ha scoperto che alcuni materiali, come il sodio, possono effettivamente diventare isolanti o semiconduttori quando compressi. Hanno teorizzato che gli elettroni del nucleo del sodio, ritenuti inerti, interagirebbero tra loro e con gli elettroni di valenza esterni sotto estrema pressione.
Il comportamento degli elettroni in ambienti ad alta pressione
Le pressioni trovate al di sotto della crosta terrestre possono essere difficili da replicare in laboratorio, quindi utilizzando supercomputer nel Centro per la Ricerca Computazionale dell’UB, il team ha eseguito calcoli su come si comportano gli elettroni negli atomi di sodio quando sotto alta pressione.
Gli elettroni diventano intrappolati nelle regioni interspaziali tra gli atomi, noto come stato di elettride. Questo causa la trasformazione fisica del sodio da metallo lucente a isolante trasparente, poiché gli elettroni liberi assorbono e ritrasmettono la luce, ma gli elettroni intrappolati semplicemente permettono alla luce di passare attraverso.
Il legame chimico spiega l’emergere dello stato di elettride. Tuttavia, i calcoli dei ricercatori hanno mostrato per la prima volta che l’emergere dello stato di elettride può essere spiegato attraverso il legame chimico. L’alta pressione fa sì che gli elettroni occupino nuovi orbitali all’interno dei rispettivi atomi. Questi orbitali si sovrappongono l’uno con l’altro per formare legami chimici, causando concentrazioni di carica localizzate nelle regioni interstiziali.
Mentre studi precedenti offrivano una teoria intuitiva che l’alta pressione spremesse gli elettroni fuori dagli atomi, i nuovi calcoli hanno scoperto che gli elettroni fanno ancora parte degli atomi circostanti.
“Abbiamo realizzato che questi non sono solo elettroni isolati che hanno deciso di lasciare gli atomi. Invece, gli elettroni sono condivisi tra gli atomi in un legame chimico”, dice Stefano Racioppi, autore principale dello studio dell’UB. “Sono piuttosto speciali”.
“Ovviamente è difficile condurre esperimenti che replicano, ad esempio, le condizioni all’interno degli strati atmosferici profondi di Giove”, dice Zurek, “ma possiamo usare calcoli, e in alcuni casi, laser ad alta tecnologia, per simulare questi tipi di condizioni”.
