UN NUOVO FENOMENO CHIMICO

Sulle stelle il legame è più forte

Le simulazioni al computer rivelano che stelle dal fortissimo campo magnetico, come nane bianche e stelle di neutroni, danno luogo a un tipo di legame chimico sconosciuto (e impossibile da riprodurre) sulla Terra. Lo studio su Science.

La nana bianca G29-38 (NASA)

Se c’è una cosa che i chimici pensavano di conoscere a memoria, è il modo in cui gli atomi si legano l’uno all’altro per formare molecole. I legami chimici insomma, quelli che si studiano a scuola. Ma le simulazioni al computer di quello che accade all’interno delle nane bianche e delle stelle di neutroni mostrano che lì, a causa dei potentissimi campi magnetici, potrebbe esistere un nuovo tipo di legame chimico finora sconosciuto. Lo spiegano, sul numero di Science di questa settimana, Trygve Helgaker dell’Università di Oslo e i suoi colleghi.

I legami chimici, da che mondo è mondo, sono di due tipi: quelli ionici, in cui un elettrone salta da un atomo a un altro, e quelli covalenti, in cui lo stesso elettrone viene condiviso da due atomi. Per scoprire il nuovo tipo di legame, Helgaker e colleghi hanno simulato cosa avverrebbe a una molecola di idrogeno (formata da due atomi legati da un legame covalente), al suo livello di energia più basso, immersa in un campo magnetico da circa 100.000 Tesla (diecimila volte più forte del più potente campo magnetico che siamo in grado di generare sulla Terra). È appunto il tipo di condizione che si può verificare in una nana bianca, un oggetto piccolo ed estremamente denso che rappresenta l’ultimo stadio di vita delle stelle di piccola massa.

Le simulazioni al computer, basate sulle leggi della meccanica quantistica, mostrano che in questo caso la molecola di idrogeno si orienta parallelamente alle linee del campo magnetico, e il legame chimico tra i due atomi diventa più stretto e più stabile. Se poi uno degli elettroni viene eccitato fino a un livello di energia che normalmente romperebbe il legame, la molecola non fa altro che riorientarsi perpendicolarmente al campo magnetico, ma resta intatta. “Noi insegniamo agli studenti a scuola che quando un elettrone viene eccitato in questo modo la molecola si disfa” spiega Helgaker. “Ma qui siamo di fronte a un nuovo tipo di legame che tiene assieme gli atomi”. Secondo i ricercatori lo stesso tipo di legame potrebbe verificarsi tra atomi di elio, che normalmente non si legano affatto.

Per capire cosa distingue questo legame da quelli conosciuti occorre ricordarsi il principio di esclusione di Pauli, un principio fondamentale della meccanica quantistica per cui due fermioni (particelle dotate di massa) identici non possono occupare contemporaneamente lo stesso stato quantico. In pratica, gli elettroni coinvolti in un legame covalente, come quello dell’idrogeno, normalmente hanno spin opposto (lo spin è una delle proprietà fondamentali delle particelle, assieme a massa e carica elettrica). Ma il potente campo magnetico di una nana bianca finirebbe per allineare lo spin di entrambi gli elettroni, costringendo uno dei due (per continuare a rispettare il principio di esclusione di Pauli) a cambiare posizione e “saltare” su un cosiddetto orbitale di antilegame. “In una molecola normale questi orbitali non contengono elettroni, e quando succede i legame tra i due atomi viene meno” spiegano sempre gli autori.

I ricercatori hanno chiamato questo nuovo legame “perpendicolare paramagnetico”. La loro ipotesi potrebbe essere confermata dallo studio della luce provieniente da nane bianche e stelle di neutroni, il cui spettro potrebbe in teoria essere alterato dalla presenza di molecole di questo tipo.

Impossibile invece riprodurlo sulla Terra. Un campo magnetico così forte metterebbe in crisi prima di tutto la stessa apparecchiatura che dovrebbe produrlo, con le distanze tra gli atomi che calerebbero anche del 25 per cento. “Qualunque apparato sperimentale smetterebbe di essere un apparato, in quelle condizioni” spiega efficacemente Helgaker.

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