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Articolo pubblicato il 17-07-2006
di F. A. Gorelli1,2, M. Santoro1,2, R. Bini1,3, G. Ruocco2,4
S. Scandolo5 and W. A. Crichton6
Numero 30 - Anno 3
17 Luglio 2006
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 Un vetro di anidride carbonica
Tra gli elementi del IV gruppo solo il Carbonio forma legami doppi stabili con l’Ossigeno in condizioni ambiente e,
diversamente dal biossido di Silicio (SiO2) e di Germanio (GeO2), solo ad alta pressione la anidride carbonica (CO2)
forma un cristallo non-molecolare, in cui sono presenti solo legami singoli. Analogamente, mentre le forme amorfe di
SiO2 (silice) e GeO2 (germania) sono ben conosciute in condizioni ambiente, la anidride carbonica amorfa e non molecolare
č stata ottenuta solo come il risultato di simulazioni da principi primi.
Qui riportiamo della sintesi di una forma
amorfa simile alla silice della CO2, che denominiamo “carbonia” in analogia con silica (termine inglese per silice)
e germania.
La carbonia č stata ottenuta comprimendo la CO2 ad una pressione di circa mezzo milione di atmosfere e
dopo un trattamento termico fino a quasi 400 °C.
Abbassando la pressione a temperatura ambiente la carbonia
rimane stabile fino a circa 150000 atmosfere, pressione a cui torna ad essere un cristallo fatto di molecole di CO2,
per poi ritornare gas in condizioni ambiente.
A ciascuno di noi sono familiari le forme comuni del biossido di Silicio (SiO2, detto silice), tra le
quali in forma cristallina vi è il quarzo, il maggiore componente della sabbia.
Se fuso e raffreddato
rapidamente il quarzo vetrifica formando il vetro di silice, un materiale noto a tutti da lunghissimo tempo,
che usiamo per numerose applicazioni: dalle finestre ai bicchieri.
Anche il biossido di Germanio (GeO2, detto germania),
forma un vetro ben conosciuto e che viene utilizzato per esempio nelle fibre ottiche per telecomunicazioni per
controllare il loro indice di rifrazione.
Il Carbonio appartiene alla stessa famiglia di elementi del Silicio e
del Germanio, ma il vetro di biossido di Carbonio (CO2) non era mai stato scoperto fino ad ora ed era solo rimasto
come una possibilità teorica.
Carbonio, Silicio e Germanio sono i primi tre elementi tre membri del IV gruppo della tavola periodica, e mentre
gli ossidi ed i monossidi di Silicio e Germanio sono solidi stabili, quelli del Carbonio esistono solo come gas a
pressione e temperatura ambiente.
Il biossido di Carbonio (CO2) è un gas composto da molecole lineari
caratterizzate da un forte doppio legame Carbonio-Ossigeno. Raffreddando o pressurizzando questo gas si
ottiene un cristallo molecolare (cioè un solido composto da molecole molto simili a quelle del gas).
Recentemente1,2 gli esperimenti hanno dimostrato che in condizioni di alta pressione e temperatura (circa 400000
atmosfere e 1500 °C), i doppi legami delle molecole di CO2 si rompono e nuovi singoli legami C-O si
ricostruiscono, generando una rete tridimensionale di unità tetraedriche CO4.
Questa rete è
del tutto simile alle strutture cristalline della silice come quelle del quarzo, tridimite o cristobalite,
ma si ritrasforma al cristallo molecolare di CO2 a pressioni inferiori di 10000 atmosfere.
Questo nuovo
materiale potrebbe avere proprietà importanti per applicazioni tecnologiche perché risulta
essere ultra duro ed otticamente non lineare. Questa ultima caratteristica permette ad esempio la duplicazione
della frequenza della luce di un laser.
Tutto questo riguarda la scoperta di un materiale cristallino di CO2 simile al quarzo, ma cosa sappiamo
della sua versione vetrosa? Recentemente3 abbiamo sintetizzato un materiale amorfo composto da CO2,
simile al vetro di silice e di germania e per questo motivo è stato denominato “carbonia”.
La carbonia è simile alla sua controparte cristallina, descritta sopra, ed è anch’essa
composta da unità tetraedriche CO4 disposte però in modo non regolare nello spazio (vedi figura 1).
Figura 1. La carbonia come risulta da simulazione di dinamica molecolare ab-initio4. Si possono osservare i tetraedri CO4
(C celeste, O rosso) disposti in modo non regolare nello spazio. Gli atomi di ossigeno fanno da “ponte” tra due atomi
di carbonio.
Essa è stata ottenuta comprimendo la CO2 ad una pressione di circa mezzo milione di atmosfere, scaldandola
fino a circa 400 gradi centigradi e successivamente riportandola a temperatura ambiente, sempre alla stessa pressione
(vedi figura 2).
Figura 2. Fotografia del campione di carbonia sottoposto ad una pressione di circa 610000 atmosfere a
temperatura ambiente. Il campione ha un diametro di circa 0.08 mm ed uno spessore di circa 0.02 mm.
All’interno (in alto nella foto) vi sono due rubini che vengono utilizzati per misurare la pressione in-situ.
Abbiamo studiato la carbonia con misure vibrazionali (scattering Raman ed assorbimento infrarosso)
e con misure strutturali (diffrazione X). Similmente alla sua controparte cristallina essa non è
recuperabile in condizioni di pressione e temperatura ambiente, e si ritrasforma al cristallo molecolare di
CO2 a circa 150000 atmosfere.
Questa scoperta apre la via alla ricerca su vetri basati sulla carbonia che
possono essere recuperati in condizioni ambiente e quindi interessanti dal punto di vista tecnologico.
Inoltre questa scoperta ha anche implicazioni geofisiche, perché le condizioni presenti nel mantello
terrestre e all’interno dei pianeti esterni del sistema solare sono simili a quelle utilizzate per la sintesi.
Per concludere, la ipotetica formazione di composti solidi che contengono CO2 in questa forma, potrebbe perfino
essere un modo per l’immagazzinamento di questo gas problematico.
Bibliografia
1 V. Iota, C. S. Yoo, and H. Cynn Science 283, 1510 (1999)
2 . S. Yoo, H. Cynn, F. Gygi, G. Galli, V. Iota, M. Nicol, S. Carlson, D. Hausermann, and C. Mailhiot Phys. Rev. Lett. 83, 5527 (1999)
3 M. Santoro, F.A. Gorelli, R. Bini, G. Ruocco, S. Scandolo e W. Crichton Nature 441, 857 (2006)
4 S. Serra, C. Cavazzoni, G. L. Chiarotti, S. Scandolo, and E. Tosatti, Science 284, 788 (1999)
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Autore: F. A. Gorelli1,2, M. Santoro1,2, R. Bini1,3, G. Ruocco2,4
S. Scandolo5 and W. A. Crichton6
1 LENS, European Laboratory for Non-linear Spectroscopy and INFM, Via N. Carrara 1, I-50019 Sesto Fiorentino, Firenze, Italy
2 CRS-SOFT-INFM-CNR, c/o Università di Roma “La Sapienza”, I-00185, Roma, Italy
3 Dipartimento di Chimica dell’Università di Firenze, Via della Lastruccia 3, I-50019, Sesto Fiorentino, Firenze, Italy
4 Dipartimento di Fisica, Università di Roma “La Sapienza”, I-00185, Roma, Italy
5 The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) and INFM/Democritos National Simulation Center, 34014 Trieste, Italy
6 European Synchrotron Research Facility, BP 220, F38043 Grenoble, France
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