Einstein aveva ragione anche in chimica: così cambia la struttura dei legami tripli

Un gruppo di chimici della Brown University ha smontato uno dei capisaldi insegnati nei corsi di chimica generale: la struttura dei legami tripli negli elementi pesanti. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, dimostra che quando il nucleo atomico supera una certa massa gli effetti della relatività di Einstein alterano la geometria elettronica del legame, cancellando il confine netto tra i due tipi di legame previsti dalla teoria classica.

Il modello da manuale descrive un legame triplo come la somma di un legame sigma, frontale e robusto, e due legami pi greco, più deboli e disposti lateralmente attorno al primo. Per gli elementi leggeri la descrizione regge da decenni. Il problema emerge scendendo verso il fondo della tavola periodica, dove la massa nucleare cresce e gli elettroni orbitanti raggiungono velocità prossime a quella della luce.

A quel regime entra in gioco l'accoppiamento spin-orbita, il fenomeno per cui lo spin dell'elettrone e il suo moto orbitale smettono di comportarsi come variabili indipendenti. Lai-Sheng Wang, docente di chimica a Brown e autore corrispondente della ricerca, lo mette in chiaro: l'idea che la relatività conti negli elementi pesanti circola dagli anni '70, ma finora mancava una prova sperimentale diretta.

Per ottenerla, Wang e il suo gruppo, guidato dai dottorandi Deniz Kahraman e Jie Hui, hanno sintetizzato molecole composte da carbonio e bismuto, elemento pesante che occupa la casella immediatamente precedente al piombo nella tavola periodica. Dopo averle raffreddate a temperature prossime allo zero assoluto, i ricercatori le hanno analizzate con la spettroscopia fotoelettronica, tecnica che sfrutta un laser per espellere singoli elettroni dalla molecola e misurarne la forza di legame in base alla distanza percorsa.

Lo spettro fotoelettronico ridisegna la struttura del legame triplo

Lo spettro raccolto non corrisponde alla firma classica di un sigma e due pi greco. La struttura osservata assomiglia piuttosto a un legame pi greco puro affiancato da due legami ibridi sigma-pi, conseguenza diretta della fusione tra le due categorie causata dall'accoppiamento spin-orbita. Wang descrive la situazione come un confine "smerigliato" tra sigma e pi greco: i tre legami restano, ma non rispettano più la separazione netta prevista dalla teoria non relativistica.

La conferma sperimentale arriva mentre il bismuto guadagna attenzione ben oltre la chimica accademica. L'elemento è studiato come alternativa non tossica al piombo nelle celle solari di nuova generazione, oltre che nei materiali quantistici e nella ricerca sul calcolo quantistico. Wang non esclude che i risultati finiscano per imporre una revisione dei libri di testo, mano a mano che la chimica degli elementi pesanti guadagna terreno nella ricerca applicata.