A un passo dalla kryptonite

Due ricercatori dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia hanno scoperto come sintetizzare il primo composto binario di kripton e ossigeno: un ossido di kripton. I risultati mostrano che questa sostanza può essere prodotta in condizioni di pressione estremamente elevata, riproducibili nei laboratori moderni.

La storia del fumetto ci insegna che i cristalli di kryptonite, il materiale mortale per Superman e gli appartenenti alla sua specie, dovrebbe essere creato all’interno del pianeta Krypton, quindi molto probabilmente in condizioni di pressione molto alta. Il responsabile del nome, il vero kripton, è un elemento con numero atomico 36, un gas nobile considerato incapace di formare legami chimici stabili. Tuttavia, un team formato da due chimici teorici dell’IPC PAS ha pubblicato uno studio su Scientific Reports in cui viene presentata la possibilità di sintetizzare un nuovo materiale cristallino in cui gli atomi di kripton sarebbero legati chimicamente ad un altro elemento.

«La sostanza prevista dai nostri calcoli teorici è un composto di kripton e ossigeno, anziché azoto, come vorrebbe il fumetto, perciò non dovremmo chiamarla kriptonite ma kriptosside. Quindi se Superman sta leggendo questo articolo, può rilassarsi: al momento non c’è nessun motivo per preoccuparsi!», scherza Patrick Zaleski-Ejgierd, primo autore dell’articolo. «Il nostro monossido di kripton molto probabilmente non esiste in natura. Per quanto ne sappiamo, negli strati più profondi dei pianeti, ovvero là dove potrebbe esserci pressione sufficiente per sintetizzarlo, non sono presenti né l’ossigeno né il kripton».

Alcuni composti del kripton sono stati realizzati in passato, sfruttando condizioni criogeniche in laboratorio. Si trattava, comunque, di singole molecole lineari del tipo idrogeno-carbonio-kripton-carbonio-idrogeno. I chimici polacchi si sono chiesti se esistessero condizioni tali per cui il kripton potesse non solo legarsi chimicamente ad un altro elemento, ma anche creare un reticolo cristallino grande e stabile.

«Le nostre simulazioni indicano che i cristalli di ossido di kripton si possono formare entro un intervallo di pressione che va da 300 a 500 milioni di atmosfere. Si tratta di pressioni enormi, ma possono essere riprodotte nei laboratori moderni» spiega Pawel Lata, co-autore dell’articolo.

I reticoli cristallini sono costituiti da atomi o molecole disposte nello spazio in modo geometricamente ordinato. I “mattoni” di cui sono composti, riconducibili ai frammenti più piccoli con cui può essere suddivisa la struttura senza perdere le proprietà caratteristiche del materiale, si chiamano celle unitarie. La cella unitaria del sale da cucina ha la forma di un cubo, dove gli atomi di sodio e cloro si dispongono alternandosi, collocati su ciascun vertice.

Questa immagine mostra le strutture cristalline di monossido di kripton (KrO): quella più stabile a sinistra, quella meno stabile a destra. Gli atomi kripton sono rappresentati con il colore blu, mentre quelli di ossigeno sono di colore rosso. Crediti: IPC PAS

La cella unitaria del monossido di kripton è un parallelepipedo a base romboidale, con atomi kripton sui vertici. Inoltre, a metà delle pareti laterali opposte, vi è un altro atomo di kripton.

«Dove si trova l’ossigeno? Sulle pareti laterali della cella unitaria ci sono cinque atomi di kripton, disposti come i punti sulla faccia del dado che mostra il numero cinque. I singoli atomi di ossigeno si trovano tra gli atomi di kripton, ma solo lungo una diagonale. Pertanto, su ogni parete con cinque atomi di kripton ci sono solo due atomi di ossigeno», spiega Lata.

In una cella unitaria così composta, ogni atomo di ossigeno è legato chimicamente ai due atomi adiacenti di kripton. I calcoli indicano che un cristallo di questo tipo dovrebbe avere le caratteristiche di un semiconduttore.

Nel loro studio, i chimici teorici di IPC PAS hanno anche trovato un secondo composto del kripton, un po’ meno stabile: il tetrossido di kripton, KrO₄. Questo materiale, che dovrebbe presentare le proprietà tipiche di un metallo, ha un struttura cristallina semplice, e potrebbe formarsi a pressioni superiori a 340 milioni di atmosfere.

Dopo la loro formazione, i due cristalli potrebbero continuare ad esistere a pressioni leggermente inferiori. La pressione atmosferica sulla Terra, tuttavia, è talmente bassa che sul nostro pianeta questi cristalli verrebbero immediatamente degradati.

«Le reazioni che avvengono ad altissima pressione fanno parte di una chimica molto esotica e pressoché sconosciuta», conclude Zaleski-Ejgierd. «Spesso le pressioni necessarie per sintetizzare questi composti sono così grandi che non ha nemmeno senso cercare di realizarli in laboratorio. In alcuni casi fallisce addirittura la descrizione teorica! Ma ciò che è maggiormente interessante in questi processi è che sono non-intuitivi. Dal primo all’ultimo passaggio della sintesi non si sa mai cosa stia per accadere».

Per saperne di più:

• Leggi l’articolo uscito su Scientific Reports “Krypton oxides under pressure”, di Patryk Zaleski-Ejgierd e Pawel M. Lata

Fonte: Media INAF | Scritto da Elisa Nichelli