Fa freddo, l’acqua a temperature sottozero ghiaccia: ovvio. A 100° C l’acqua bolle: altrettanto ovvio. A questo siamo abituati, perché è quello che avviene alla pressione atmosferica (1 atm, cioè 101 chiloPascal, kPa); ma cambiando pressione le cose cambiano: è noto che in alta montagna l’acqua “bolle prima”, a circa 3000 metri bolle a 90° C. La conclusione è che basta cambiare la coppia di grandezze, temperatura e pressione, per avere una sostanza allo stato solido oppure liquido o gassoso.
Si parla di fasi gassosa, liquida o solida; ma, mentre si può avere una sola fase gassosa o liquida, le fasi solide possono essere più di una secondo le condizioni di temperatura e pressione. Un esempio che è già stato affrontato in un precedente articolo è quello del carbonio che presenta due fasi solide: la grafite e il diamante.
Ovviamente, anche se i solidi sono poco comprimibili, le fasi stabili ad alta pressione sono più dense: ad esempio, la grafite ha densità 2,1 g/cm3 e il diamante 3,5 g/cm3. L’aumento di densità fa sì che gli atomi siano più vicini tra loro modificando le forze di legame che li tengono assieme. Spesso succede che le singole molecole si fondano tra loro formando strutture di molti atomi, fino ad arrivare a solidi con proprietà metalliche (i metalli sono tra le sostanze più dense che esistano) e quindi elettricamente conduttrici; nei metalli non sono più presenti molecole distinte.
Esperimenti di questo tipo sono stati fatti – starei per dire da sempre – e nel tempo le tecniche per raggiungere pressioni elevatissime si sono raffinate. La prima sintesi certa del diamante risale al 1953, ma già all’inizio degli anni ‘40 si era riusciti a raggiungere, per pochi istanti, la pressione di 3,5 GigaPa (GPa) alla temperatura di 3000° C. Con le tecniche odierne si riesce a ottenere, per tempi lunghi, pressioni fino a circa 360 GPa, la pressione che si stima sia presente al centro della Terra.
L’ossigeno, a pressione e temperatura ambiente, è un gas formato da molecole biatomiche (O2) e tale resta anche allo stato liquido. Allo stato solido sono possibili numerose fasi. La stessa cosa è nota per idrogeno, azoto, ossido di carbonio e anidride carbonica. Come si può vedere dal diagramma in Figura 1, la regione a pressioni superiori i 100 GPa non è mai stata esplorata sperimentalmente, ma questo non vieta che si possano eseguire calcoli teorici per prevedere le proprietà a pressioni ancora maggiori.
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Bochum, dell’University College di Londra e dell’Università di Cambridge ha compiuto una serie di simulazioni sul comportamento dell’ossigeno tra 1 e 9 TeraPascal (1 TPa=1000 GPa=9,8 milioni di atmosfere); si noti che 7 TPa è la pressione stimata al centro di Giove. Il risultato strabiliante è che, anche a queste pressioni, l’ossigeno, che intorno a 100 GPa aveva già struttura metallica, riprende una struttura molecolare.
L’applicazione della quantomeccanica ha permesso di calcolare le proprietà degli atomi e delle molecole in maniera abbastanza completa. I fondamenti teorici risalgono ormai a molti decenni, ma la complessità dei calcoli necessari a una descrizione sufficientemente accurata delle proprietà delle sostanze chimiche è sempre stata proibitiva. Lo sviluppo dei computer degli ultimi decenni ha fatto fare un grande balzo alla possibilità di simulare le proprietà chimiche e fisiche. Il grande vantaggio di un calcolo di questo tipo, oltre alla possibilità di avere accesso a situazioni difficilmente accessibili all’esperimento, è quello di avere un’informazione più completa. Nel caso in esame una sola simulazione è in grado di dare informazioni sulla struttura geometrica, su quella elettronica e sulle energie in gioco; mentre un singolo esperimento avrebbe dato al massimo solo una di queste informazioni e sarebbero stati necessari apparati sperimentali molto diversi, e sperimentatori esperti in campi molto diversi, per avere una visione così vasta.
Figura 1. Diagramma di stato dell’ossigeno. Notare le numerose fasi, a seconda della temperatura e della pressione. Ad alta pressione è possibile avere ossigeno solido anche a temperatura ambiente (~300 K) mentre a pressione atmosferica è solido solo sotto i 54,8 K [-218.3 °C]. La fase (grigio) presenta carattere metallico la trasformazione avviene a 96 GPa.
Figura 2. Struttura geometrica e di legame dell’ossigeno a 1,9 TPa (in alto), 3,5 Tpa (in mezzo) e 9,1 TPa (in basso). Il grafico indica la posizione degli atomi e come questi sono legati tra loro.