Gli atomi di elio riempiono gli spazi nei cristalli di ferro sotto alta pressione e temperatura
Sotto alta temperatura e pressione, gli atomi di elio (cerchi rossi) si spostano negli spazi tra gli atomi di ferro (cerchi rossi con centri neri) in un pezzo di metallo di ferro, come mostrato in questa mappa chiamata funzione di localizzazione degli elettroni.
Gli scienziati hanno indotto uno degli elementi più ostinati dell’universo a formare un nuovo composto. Formato sotto intense pressioni, il composto appena scoperto inserisce atomi di elio nel ferro cristallino, come riportato il 25 febbraio in Physical Review Letters. Il composto si unisce a una breve lista di materiali che incorporano l’elemento normalmente non reattivo e suggerisce che l’elio del primo sistema solare potrebbe essere immagazzinato nel ferro che costituisce il nucleo della Terra.
L’elio è uno degli elementi meno reattivi della tavola periodica. Come gli altri gas nobili, l’elio non guadagna né perde elettroni facilmente e quindi normalmente non forma composti chimici. Ma sotto pressioni estremamente elevate, l’elio può interagire con pochi altri elementi, tra cui azoto e sodio — e ora anche ferro, come dimostrano le ricerche.
Un composto di ferro-elio, mostrato qui in colore artificiale utilizzando una tecnica chiamata spettrometria di massa a ioni secondari, si forma sotto alta temperatura e pressione. Le aree blu e nere segnano lo sfondo, mentre l’area arancione e rossa rappresenta il campione.
Per creare il nuovo composto di ferro, i fisici hanno compresso ferro ed elio insieme in una cella a incudine di diamante, un dispositivo ad alta pressione che ha sottoposto gli elementi a pressioni superiori a 50.000 atmosfere terrestri e temperature superiori a 1.000 gradi Celsius. Questa compressione ha formato cristalli contenenti sia ferro che elio.
Il volume del cristallo formato era maggiore di quello di un cristallo di ferro puro alla stessa pressione, ha scoperto il team. I ricercatori hanno attribuito questo aumento agli ioni di elio che si inseriscono nei siti interstiziali, i piccoli spazi tra gli atomi di ferro nel cristallo. Ma gli atomi di elio non si legano direttamente al ferro — sono troppo non reattivi, anche in condizioni estreme.
“L’elio è molto felice così com’è. Non vuole condividere un elettrone,” dice Stefano Racioppi, un chimico della State University of New York a Buffalo. Ma può comunque partecipare a una “chimica senza legami chimici” per formare questi composti ordinati e cristallini.
Il nuovo composto potrebbe aiutare a spiegare le osservazioni di elio nell’interno della Terra, dice Hirose. La maggior parte degli atomi di elio della Terra ha due neutroni e si forma dal decadimento radioattivo di elementi come l’uranio. Ma alcune eruzioni vulcaniche oceaniche rilasciano atomi di elio con un solo neutrone. Questi atomi si sono formati poco dopo il Big Bang. La Terra ha acquisito questo elio “primordiale” mentre il pianeta si formava.
La sua perdita dal magma suggerisce che il pianeta ha un profondo serbatoio di elio primordiale, e i nuovi composti suggeriscono che il nucleo ricco di ferro della Terra potrebbe contenere parte di quell’elio. Ma il team avrà bisogno di ulteriori esperimenti per determinare se l’elio è più probabile che risieda nel nucleo della Terra o più in alto nel suo mantello.
“La ripartizione dell’elio tra magma, fusione di silicati e ferro metallico è davvero la chiave,” dice Hirose. Se l’elio è più stabile nel ferro che nei silicati trovati nel mantello, ciò suggerirebbe che l’elio è più probabile che risieda nel nucleo — e viceversa.
Il fisico computazionale Ronald Cohen è d’accordo. “Non direi che è una prova che c’è elio nel nucleo della Terra, ma suggerisce che è possibile,” dice Cohen.
Oltre alle implicazioni geofisiche, i risultati potrebbero ulteriormente espandere la chimica dei gas nobili. “Mi piacerebbe vedere se questo è unico per il ferro o se potrebbe accadere anche ad altri metalli di transizione,” dice Maosheng Miao, un chimico della California State University, Northridge. Formare altri composti di metallo-elio, dice, potrebbe portare a una ”chimica che non abbiamo mai immaginato.”