Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

Nel mondo solido dei materiali, l'idrogeno è un maestro del travestimento. Alla pressione sotto cui viviamo ogni giorno, si lega in modi prevedibili: a volte come un semplice gas, a volte intrappolato strettamente all'interno dei metalli, o formando strutture complesse che immagazzinano energia. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che se avessero potuto comprimere l'idrogeno con forza sufficiente — pressioni che si trovano nelle profondità dei giganti gassosi o generate in laboratori specializzati — esso si sarebbe comportato in modi completamente nuovi. Sotto tale compressione estrema, gli atomi di idrogeno sono costretti così vicini tra loro da formare reti dense e insolite, creando una classe di materiali chiamati superidruri. Questi composti esotici sono famosi per una proprietà sorprendente: alcuni possono condurre elettricità con resistenza zero a temperature molto più calde di qualsiasi altro superconduttore noto. Tuttavia, un ostacolo principale ha sempre ostacolato il loro utilizzo. Questi superidruri sono come cubetti di ghiaccio in un deserto; nel momento in cui la pressione schiacciante viene rilasciata, si sciolgono tornando a essere sostanze ordinarie e meno interessanti. La grande sfida per i ricercatori è stata trovare un modo per intrappolare queste strutture ad alta pressione affinché possano sopravvivere all'aria aperta, rendendo le loro straordinarie proprietà disponibili per l'uso nel mondo reale.

Un team di ricercatori in Francia ha ora compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema, creando un nuovo tipo di superidruro che rifiuta di sfaldarsi quando la pressione viene rilasciata. Lavorando con una miscela di ittrio, ferro e idrogeno, hanno utilizzato un dispositivo chiamato cella a incudine di diamante per comprimere i materiali. Riscaldando il campione con un laser mentre era sotto immensa pressione, hanno indotto gli atomi a formare una struttura specifica e altamente ordinata. Il risultato è stato un composto con la formula Y3Fe4H20, un materiale denso di atomi di idrogeno disposti in un modo mai visto prima. Ciò che rende questa scoperta davvero speciale è che, quando gli scienziati hanno rilasciato lentamente la pressione, il materiale non è crollato. Al contrario, ha mantenuto la sua forma, rimanendo stabile anche dopo il ritorno alla pressione normale dell'atmosfera. Questo segna la prima volta che un superidruro con un contenuto di idrogeno così elevato è stato recuperato e mantenuto intatto in condizioni quotidiane.

Per capire ciò che avevano scoperto, il team ha dovuto guardare all'interno della struttura cristallina del loro nuovo materiale. Utilizzando potenti fasci di raggi X, hanno mappato le posizioni degli atomi metallici pesanti, l'ittrio e il ferro. Poiché gli atomi di idrogeno sono troppo leggeri per essere visti chiaramente dai raggi X, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni informatiche avanzate per determinare dove l'idrogeno dovesse trovarsi per rendere la struttura stabile. L'immagine che ne è emersa era un design architettonico unico. Gli atomi di ferro sono ciascuno circondati da otto atomi di idrogeno, formando unità molecolari simili a cubi. Questi cubi non fluttuano da soli; sono collegati tra loro spigolo contro spigolo, condividendo atomi di idrogeno per formare lunghe catene continue. Gli atomi di ittrio si trovano negli spazi tra queste catene, tenuti in posizione da forze elettriche. I ricercatori hanno confrontato questa disposizione con il modo in cui il silicio e l'ossigeno si collegano nei minerali silicati, una famiglia comune di rocce, ma qui le "rocce" sono fatte di idrogeno e metallo. Questa struttura simile ai silicati, composta da catene di idrogeno, è ciò che conferisce al materiale la sua forza e gli permette di sopravvivere senza la pressione schiacciante che di solito lo crea.

Il viaggio verso questa scoperta è iniziato con un punto di partenza specifico: un composto preesistente di ittrio e ferro che aveva già assorbito parte di idrogeno. Il team ha posto piccoli cristalli di questo materiale, insieme a ulteriore idrogeno gassoso, tra due punte di diamante. Hanno applicato pressione, raggiungendo livelli fino a 90 gigapascal, che sono più di un milione di volte la pressione dell'atmosfera al livello del mare. A queste profondità, gli atomi sono costretti in un abbraccio stretto. Per aiutarli a riorganizzarsi nella forma più stabile, gli scienziati hanno colpito il campione con un laser, riscaldandolo a temperature di circa 1.500 gradi Celsius per un breve momento. Questo calore ha dato agli atomi l'energia necessaria per spostarsi nelle loro nuove posizioni. Quando hanno raffreddato il campione e controllato i risultati, hanno scoperto che si era formato un nuovo, distinto cristallo. Ripetendo l'esperimento più volte e utilizzando pressioni diverse, hanno confermato che questa nuova struttura poteva essere creata partendo da soli 60 gigapascal.

Una volta identificato il nuovo cristallo, il team ha osservato cosa accadeva mentre riduceva lentamente la pressione. In uno scenario tipico, un materiale ad alta pressione si decomporrebbe istantaneamente in pezzi più semplici nel momento in cui la compressione viene rilasciata. Ma l'Y3Fe4H20 si è comportato diversamente. È rimasto intatto, mantenendo il suo complesso ordine interno mentre la pressione scendeva fino a zero. Gli scienziati hanno osservato il cristallo per oltre 30 ore a pressione normale, e non ha mostrato segni di scomposizione. Anche dopo tre mesi, un campione dell'esperimento era ancora riconoscibile, sebbene avesse perso una piccola quantità di idrogeno, causando una leggera contrazione del volume. Questa perdita lenta e controllata di idrogeno suggerisce che, sebbene il materiale non sia perfettamente permanente, è straordinariamente stabile per una sostanza nata in condizioni così estreme. Dimostra che la specifica disposizione degli atomi in questo superidruro è abbastanza forte da resistere all'impulso di tornare ai suoi componenti più semplici.

I ricercatori hanno anche esaminato attentamente come gli atomi vibrano e interagiscono all'interno di questa struttura. I loro calcoli hanno mostrato che il materiale è elettricamente conduttivo, un tratto necessario per la superconduttività, ma hanno scoperto che è improbabile che sia esso stesso un superconduttore ad alta temperatura. Il modo in cui gli elettroni sono distribuiti suggerisce che, sebbene conduca elettricità, non lo fa con l'efficienza a resistenza zero vista in altri famosi superidruri come il LaH10. Tuttavia, la scoperta non riguarda l'applicazione immediata come superconduttore, ma la prova di concetto che essa fornisce. Dimostra che, mescolando diversi metalli e utilizzando il giusto schema strutturale, gli scienziati possono creare materiali ricchi di idrogeno che sono metastabili — ovvero possono esistere in uno stato che non è il più stabile possibile, ma è abbastanza stabile da durare a lungo. Ciò apre la porta alla ricerca di altri composti simili che possano combinare questa stabilità con le proprietà superconduttive desiderate.

Il metodo utilizzato per trovare questo materiale offre un nuovo percorso di scoperta. Inveve di affidarsi esclusivamente alle previsioni informatiche per indovinare quali combinazioni di elementi potrebbero funzionare, il team ha combinato la sintesi sperimentale con la modellazione informatica mirata. Hanno lasciato che l'esperimento ad alta pressione rivelasse la forma dello scheletro metallico e poi hanno usato il computer per inserire gli atomi di idrogeno mancanti. Questo approccio ha permesso loro di trovare una struttura che è troppo complessa perché le attuali ricerche informatiche la trovino da sole, poiché il numero di atomi nell'unità ripetitiva è piuttosto grande. Il successo di questo metodo suggerisce che il modo migliore per trovare la prossima generazione di materiali esotici sia lasciare che l'ambiente ad alta pressione guidi la scoperta, usando il computer per interpretare i risultati piuttosto che cercare di prevederli da zero.

Guardando al futuro, la struttura dell'Y3Fe4H20 funge da modello per la ricerca futura. Poiché il materiale è costruito su una specifica struttura di catene di idrogeno collegate, gli scienziati possono ora provare a sostituire gli atomi di ferro con altri metalli, come il nichel, per vedere se possono modificare le proprietà. Le prime analisi suggeriscono che una tale sostituzione potrebbe aumentare il potenziale di superconduttività del materiale. La scoperta di questo nuovo prototipo strutturale cambia la conversazione da "possiamo creare questi materiali?" a "quali di questi materiali possiamo conservare?". Dimostrando che un superidruro può sopravvivere alla transizione dalle profondità della terra al banco del laboratorio, questo lavoro fornisce un obiettivo tangibile per la prossima generazione di scienza dei materiali, portando il sogno dei superconduttori a temperatura ambiente un passo più vicino alla realtà.