SCOPERTE/ Si avvia a soluzione il giallo dello Xenon scomparso

- int. Carlo Gatti

CARLO GATTI ci spiega in cosa consistono i nuovi metodi sperimentali e teorici per lo studio della densità degli elettroni nei cristalli che ha contribuito a sviluppare

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Immagine di archivio

È stato il primo italiano a ricevere il Gregori Aminoff, un premio assegnato dalla Royal Swedish Academy of Sciences (la stessa dei Nobel) per i contributi particolarmente significativi ed eleganti nell’ambito della cristallografia: a Carlo Gatti, primo ricercatore dell’Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari del CNR il riconoscimento per il 2013 è stato recentemente assegnato, insieme a Mark Spackmann, per aver sviluppato nuovi metodi sperimentali e teorici per lo studio della densità degli elettroni nei cristalli e averli applicati nella determinazione delle loro proprietà molecolari e cristalline.

Ma nei giorni scorsi Gatti è nuovamente salito alla ribalta internazionale per aver partecipato a una scoperta dai contorni curiosi e affascinanti. Il chimico italiano ha fatto parte di un team internazionale di sei ricercatori, guidato da Artem Oganov dell’Università di  Stony Brook (Usa), che ha dimostrato che il gas nobile Xenon (Xe), sostanzialmente inerte in condizioni normali, è in grado invece di formare ossidi e silicati che risultano essere stabili a partire dalle 830.000 atmosfere, pressioni del tutto confrontabili con quelle esistenti all’interno del mantello terrestre. 

Lo studio, pubblicato nei giorni scorsi sulla rivista Nature Chemistry, apre uno spiraglio conoscitivo su quello che era noto come il paradosso dello Xenon mancante.  

«La scoperta – dice Gatti a Ilsussidiario.net – oltre ad offrire  prospettive inedite sulla chimica dello Xenon e sulla sua elusiva reattività, apre uno scenario del tutto nuovo sul paradosso dello Xenon mancante, un mistero che negli ultimi decenni ha incuriosito e fatto arrovellare specialisti di varie discipline, quali la scienza planetaria, la mineralogia, la geologia, la cosmologia, la fisica e la chimica teorico-computazionale. Se, come dimostra il nostro studio, lo Xenon può risultare “imprigionato” nelle profondità della Terra attraverso la formazione di composti stabili alle pressioni tipiche del suo mantello, allora risulta meno inspiegabile il fatto che lo Xenon presente nell’atmosfera terrestre sia inferiore di ben un ordine di grandezza a quello previsto da tutti i più assodati modelli chimici della terra».

L’idea che lo Xenon sia in qualche modo imprigionato nel mantello terrestre era già stata avanzata come ipotesi di possibile soluzione del “giallo”: ora, con questo studio, non è più una semplice ipotesi ma assume la portata di una dimostrazione. Lo Xenon, come gli altri cosiddetti gas nobili, normalmente non forma composti: gli unici noti finora erano i fluoruri di Xenon e degli ossidi esplosivi. Invece, alle pressioni del mantello terrestre, diventano stabili gli ossidi di Xe, che nello studio i chimici hanno caratterizzato come XeO, XeO2 e XeO3. I silicati di Xenon risultano invece stabili solo a pressioni nettamente superiori a quelle degli ossidi di Xe  e si decompongono spontaneamente a tutte le pressioni presenti nel mantello (cioè fino a pressioni inferiori a 1.360.000 atmosfere).

La situazione reale è però meno semplice. «In effetti benché stabili, gli ossidi di Xe che abbiamo caratterizzato sono fortemente ossidanti e risultano pertanto instabili in equilibrio con il ferro metallico presente nel mantello inferiore. Nell’articolo però suggeriamo un’altra possibilità: dal momento che sotto pressione si possono formare forti legami Xe-O, gli atomi di Xenon possono essere catturati e poi tenuti stretti dai difetti e dai bordi di grano dei minerali del mantello o fungere da “tappi” là dove ci sono dei difetti nelle strutture del mantello, delle “dislocazioni”, cioè dei disallineamenti, degli strati di silicati a struttura perowskitica o post-perowskitica; come d’altra parte si è reso evidente dalle strutture geometriche locali dei siti di cattura, ottenute nelle simulazioni computazionali che abbiamo eseguito».

Nello studio pubblicato su Nature Chemistry il team dei chimici ha utilizzato metodi di ricerca delle strutture di minima energia basate su una combinazione di algoritmi genetici e di metodi di studio della struttura elettronica da primi principi. A Gatti, in particolare, è dovuta la caratterizzazione del peculiare legame chimico e delle proprietà elettroniche degli ossidi di Xenon, che presentano un elevato grado di ionicità e una progressiva deplezione della popolazione degli orbitali p dello Xenon all’aumentare del numero di ossigeni legati; il chimico del Cnr è autore del codice per lo studio topologico della densità elettronica in fase condensata, uno dei principali codici utilizzati nella ricerca.

Alla tradizionale domanda circa le possibili applicazioni di una scoperta del genere, Gatti è ovviamente cauto anche se ci segnala che le enormi pressioni necessarie potrebbero non essere un ostacolo in quanto oggi in alcuni laboratori anche quelle pressioni si possono ottenere. Resta comunque importante il fatto che sia stia spalancando la prospettiva di una nuova chimica dei gas inerti che, in fondo, così inerti non sono; «anche se è una chimica che, per ora, avviene solo nel mantello terreste e all’interno di qualche altro Pianeta».

 

(Mario Gargantini)

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