Per decenni, i geoscienziati si sono interrogati su una sorprendente discrepanza: la Terra sembra essere carente di elementi più leggeri come idrogeno, carbonio, azoto, zolfo e gas nobili rispetto al Sole e ad alcuni meteoriti. In alcuni casi, la carenza è estrema: oltre il 99% in meno del previsto. Sebbene si siano verificate alcune perdite durante la formazione planetaria, la spiegazione completa è rimasta sfuggente… fino ad ora.
Ricerche recenti suggeriscono che questi elementi mancanti potrebbero essere sequestrati nelle profondità del solido nucleo interno della Terra. Sotto una pressione immensa – 3,6 milioni di volte la pressione atmosferica – il ferro si comporta in modo insolito, trasformandosi in un “elettruro”. Questo stato metallico poco conosciuto può assorbire elementi più leggeri intrappolandoli in sacche di elettroni uniche.
Il meccanismo dell’elettruro: una nuova forma di legame metallico
Gli elettruri differiscono dai metalli comuni per il comportamento dei loro elettroni. Invece di muoversi liberamente tra gli atomi, gli elettroni si localizzano in siti “attrattori non nucleari” – spazi tra gli atomi dove sono essenzialmente intrappolati. Questo fenomeno nasce dall’estrema compressione all’interno del nucleo terrestre, forzando gli elettroni in queste posizioni stabili. Gli elettroni intrappolati stabilizzano quindi gli elementi più leggeri, nascondendoli di fatto all’interno della struttura del ferro.
Questa scoperta aiuta a spiegare perché le onde sismiche suggeriscono che il nucleo interno è del 5-8% meno denso di quanto previsto se fosse esclusivamente ferro metallico. Gli elementi luminosi assorbiti abbassano la densità complessiva. I ricercatori stimano che questo processo potrebbe essersi verificato nel corso di miliardi di anni e potrebbe essere ancora in corso.
Oltre i misteri planetari: gli elettruri come catalizzatori e risparmiatori di energia
Le implicazioni vanno ben oltre la comprensione della composizione della Terra. Gli elettruri stanno emergendo come materiale promettente in diverse applicazioni, in particolare come catalizzatori. La loro struttura unica ricca di elettroni consente loro di accelerare le reazioni chimiche donando elettroni, rendendoli ideali per processi che tradizionalmente richiedono un elevato apporto di energia.
Un esempio notevole è la produzione di ammoniaca. Il processo convenzionale Haber-Bosch, responsabile del 2% del consumo energetico globale, è ad alta intensità energetica. I catalizzatori a base di elettruro, che utilizzano specificamente la maienite (un ossido di alluminato di calcio) come supporto per le nanoparticelle di rutenio, riducono il consumo di energia del 20%. Tsubame BHB, un’azienda giapponese, ha già commercializzato questa tecnologia, aprendo impianti pilota in Giappone e Brasile per sostituire la produzione di fertilizzanti a base di combustibili fossili.
Altre potenziali applicazioni includono una conversione più efficiente della CO2, un’immobilizzazione più sicura dei rifiuti nucleari e persino sistemi di propulsione satellitare a bassa temperatura. La struttura a gabbia della Mayenite può intrappolare gli ioni radioattivi, mentre i suoi elettroni riscaldati possono generare spinta nel vuoto.
La ricerca di nuovi elettruri: dalla temperatura ambiente alla previsione dell’intelligenza artificiale
I ricercatori stanno esplorando attivamente nuovi elettruri, compresi i complessi organici scoperti attraverso la “chimica meccanica” (macinazione ad alta energia). Questi materiali presentano proprietà catalitiche simili ma spesso soffrono di sensibilità all’aria e all’acqua. Gli scienziati stanno lavorando per stabilizzarli per uso industriale, in particolare nella sintesi farmaceutica dove i catalizzatori al palladio sono spesso costosi e inefficienti.
Prevedere la formazione di elettruri rimane una sfida. I modelli attuali si basano su simulazioni della teoria quantistica e, sempre più, sull’intelligenza artificiale. Addestrando gli algoritmi sui dati esistenti, i ricercatori sperano di identificare nuovi materiali con le giuste configurazioni elettroniche per il comportamento degli elettruri. Questo campo è ancora nascente, ma il potenziale per scoprire materiali con proprietà uniche è enorme.
La scoperta degli elettruri fornisce una nuova lente attraverso la quale comprendere non solo la composizione del nostro pianeta ma anche il futuro della chimica e della scienza dei materiali ad alta efficienza energetica.
