Idrogeno metallico: un nuovo superconduttore?

Una ricerca tutta italiana ha approfondito lo studio della metallizzazione dell’idrogeno, per poterne studiare le caratteristiche come superconduttore. I ricercatori dell’Università La Sapienza di Roma, in collaborazione con l’Università di Treno e l’Università dei Paesi Baschi hanno sviluppato e utilizzato un modello teorico di avanguardia per poter simulare il campione ad alta pressione al computer, per fare chiarezza sui meccanismi di metallizzazione. La ricerca è stata pubblicata lo scorso settembre su Nature Physics, dal titolo “Black metal hydrogen above 360 GPa driven by proton quantum fluctuations“.

Il processo che rende l’idrogeno metallico

L’idrogeno metallico è un esempio di materia degenere. Il processo di trasformazione consiste nel sottoporre l’idrogeno a una pressione sufficiente a determinare un cambiamento di fase della materia (confinamento quantico). L’idrogeno metallico solido consiste in un reticolo cristallino di nuclei atomici, in cui gli elettroni sono liberi e si comportano come se fossero in un materiale metallico conduttore.

A livello storico, la ricerca sull’idrogeno metallico ha inizio nella sua teorizzazione circa 80 anni fa. Ashcroft propose la teoria che l’idrogeno metallico potesse avere caratteristiche di superconduttore persino a temperature ordinarie, 17 °C, le più elevate per qualsiasi altro materiale superconduttore.

I ricercatori hanno sviluppato e utilizzato un modello teorico di avanguardia per poter simulare la sostanza ad alta pressione al computer, ma anche per scoprire se ci fossero errori nei dati sperimentali e dunque far chiarezza sui meccanismi di metallizzazione dello stesso.

Gli esperimenti

Nella figura di seguito sono raccolti i risultati di precedenti sperimentazioni sulla metallizzazione dell’idrogeno. I risultati riportati sono contrastanti tra loro. Uno dei primi studi (risalente al 2017) ha osservato il campione annerirsi sopra i 300 GPa e poi diventare improvvisamente scintillante a 500 GPa, un tipico segnale di metallizzazione. In una ricerca successiva, invece, i ricercatori hanno misurato la conducibilità elettrica del campione, concludendo che esso metallizza già a 360 GPa. Infine, un ulteriore studio pubblicato ha mostrato che l’elemento rimane trasparente se osservato con luce infrarossa fino a 420 GPa, per poi diventare opaco.

Lo studio italiano propone un’analisi delle caratteristiche fisiche e chimiche dell’idrogeno metallico, al variare della pressione. Esso conclude che, a seguito delle analisi, i risultati apparentemente contradditori sono in realtà confermati. Una sorpresa che lascia sorpresi gli stessi ricercatori. La sua metallizzazione e la sua superconduttività a temperatura ambiente sono un argomenti di elevato interesse, dato il potenziale applicativo nel settore elettrico ed elettronico.

“Siamo stati molto sorpresi quando i risultati delle simulazioni hanno confermato tutti i dati sperimentali […] l’idrogeno metallico è un materiale particolarissimo: non solo è un metallo nero (caso raro, come la grafite), ma è addirittura trasparente alla luce infrarossa e questo lo rende unico”.

Lorenzo Monacelli, Dipartimento di Fisica della Sapienza, primo autore del lavoro

La sfida energetica dell’idrogeno

L’idrogeno rappresenta la nuova sfida energetica della ricerca mondiale. Esso è al centro degli investimenti degli stati europei, mentre in Italia l’idrogeno ha il potenziale di coprire il 23% della domanda energetica nazionale (con un contributo di oltre 200 TWh) al 2050. A partire dal 2021 i primi progetti in Italia di mobilità ferroviaria sostenibile. Questo è l’obiettivo dell’accordo tra Snam e Alstom.

Non molto tempo fa abbiamo discusso dei metodi di stoccaggio dell’idrogeno, della sua produzione dalla fotosintesi delle alghe verdi, o dal biogas.