Proprietà metalliche previste per astatine

È uno degli elementi chimici più misteriosi. Tutti sanno che l’astatina, elemento 85, si trova nella parte inferiore del gruppo alogeno, ma nessuno sa come appare. L’astatina è l’elemento naturale più raro e non ha isotopi stabili: il più longevo ha un’emivita di sole 8,1 ore. Quindi nessuno ne ha mai ottenuto abbastanza per essere visibile ad occhio nudo.

Se ciò accade, i nuovi calcoli dei primi principi pubblicati in Physical Review Letters prevedono che sarà un solido metallico. Forse non è così sorprendente dato che lo iodio, l’alogeno sopra di esso nella tavola periodica, è di per sé un solido argenteo scuro (anche se non veramente metallico) e che il punto di fusione dell’astatina è 302oC. Ma la vera sorpresa dei nuovi risultati è che il solido non sarebbe composto da molecole biatomiche, come tutti gli altri alogeni, ma sarebbe monatomico. I calcoli sono stati eseguiti da Andreas Hermann, ora presso l’Università di Edimburgo in Scozia, e teorici veterani Roald Hoffmann e Neil Ashcroft della Cornell University di Ithaca, New York.

Fisico teorico Yanming Ma della Jilin University di Changchun, in Cina, che ha lavorato su fasi solide ad alta pressione degli altri alogeni, chiama questo ‘un meraviglioso carta.”Gli autori presentano prove convincenti di questo comportamento sorprendente di astatina solido, ‘dice, aggiungendo che la sorpresa è duplice:’ la sua forma non molecolare e la sua metallicità a pressione ambiente.’

Questo comportamento sarebbe facile da perdere, perché si manifesta solo quando i calcoli tengono pienamente conto degli effetti della relatività speciale sulla struttura elettronica degli atomi molto pesanti: l’aumento della massa efficace di elettroni in rapido movimento vicino al nucleo massiccio. Tali effetti sono noti per avere conseguenze significative per gli elementi pesanti, notoriamente dando oro la sua tinta gialla e mercurio il suo basso punto di fusione.

Importanza dell’accoppiamento spin-orbita

Nei calcoli densità-funzionali della struttura elettronica di molecole e materiali, gli effetti relativistici sono comunemente suddivisi in due componenti. La cosiddetta approssimazione scalare considera solo gli effetti della velocità molto elevata degli elettroni, mentre la loro energia è anche influenzata dall’accoppiamento spin-orbita tra lo spin dell’elettrone e il campo magnetico creato dai moti degli elettroni attorno al nucleo. Hermann e colleghi hanno scoperto che un calcolo scalare-relativistico predisse uno stato fondamentale biatomico per l’astatina, mentre la forma monatomica appariva solo con l’accoppiamento spin-orbita incluso. “Questi effetti influenzano la propensione degli atomi a formare determinati legami e strutture cristalline, di solito riducendo le energie di legame molecolare”, dice Hermann. Calcoli precedenti hanno indicato che nella fase gassosa l’astatina formerebbe ancora una molecola biatomica debolmente legata.

Lo stato solido completamente relativistico non ha gap di banda tra gli elettroni di valenza e di conduzione: è un metallo anche a pressione ambiente. Infatti, per analogia con lo iodio ad alta pressione, i ricercatori dicono che l’astatina potrebbe anche essere un superconduttore.

Elemento 117, sotto astatina, è stato sintetizzato nel 2010, e ci si aspetterebbe di sperimentare effetti relativistici ancora più forti. “La mia ipotesi è che sarebbe un metallo monatomico debolmente legato”, dice Hermann. Ma sono pronto ad essere sorpreso.’

Resta da vedere se le previsioni saranno mai testate sperimentalmente. L’astatina deve generalmente essere sintetizzata artificialmente da reazioni nucleari-fu fatta per la prima volta in questo modo nel 1940 da scienziati dell’Università della California a Berkeley. È così radioattivo che un pezzo di astatina solida verrebbe vaporizzato quasi istantaneamente. Ma Hermann rimane ottimista. “Con il raffreddamento attivo del substrato si potrebbe essere in grado di stabilizzare un film sottile per un tempo sufficientemente lungo”, afferma.

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