La quantistica risolve il problema del numero di ossidazione

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La fisica teorica chiarisce uno dei concetti più diffusi e sfuggenti della chimica. I ricercatori della SISSA forniscono una spiegazione quantistica precisa del numero di ossidazione e risolvono così un dilemma di lunga data nella fisica dei conduttori ionici. La ricerca, pubblicata su “Nature Physics”, apre la strada a simulazioni accurate di un’ampia classe di materiali.

Anche se li studiamo a scuola, i numeri di ossidazione erano fino ad ora sfuggiti a qualsiasi definizione rigorosa. Una nuova ricerca SISSA, pubblicata su “Nature Physics”, modifica questo stato delle cose fornendone una definizione basata sulla teoria dei numeri quantici topologici che nel 2016 valse il premio Nobel per la fisica a Thouless, Haldane e Kosterlitz. Questo risultato, insieme ai recenti progressi sulla teoria del trasporto conseguiti alla SISSA, apre la strada a simulazioni numeriche accurate, ma gestibili dal punto di vista computazionale, di un’ampia classe di materiali d’interesse nel settore energetico e nelle scienze planetarie.

Federico Grasselli e Stefano Baroni/SISSA 
Federico Grasselli e Stefano Baroni/SISSA

Ogni studente iscritto a scienze naturali sa come associare un numero di ossidazione a una specie chimica coinvolta in a una reazione. Eppure il concetto stesso di stato di ossidazione mancava fino ad ora di una rigorosa definizione quantistica. Non era noto alcun metodo per calcolare i numeri di ossidazione a partire dalle leggi fondamentali della natura né tanto meno per dimostrare che il loro utilizzo nella simulazione del trasporto di carica non ne inficiasse la qualità. Infatti la stima delle correnti elettriche nei conduttori ionici, necessaria a simulare le loro proprietà di trasporto, era finora basata su un approccio quantistico complesso che limitava fortemente la fattibilità di simulazioni su larga scala.

Ultimamente però alcuni ricercatori avevano notato che un modello semplificato in cui ogni atomo possiede una carica pari al suo numero di ossidazione può dare risultati sorprendentemente in accordo con approcci rigorosi ma molto più impegnativi. Combinando la nuova definizione topologica del numero di ossidazione con la cosiddetta “invarianza di gauge” dei coefficienti di trasporto, scoperta di recente alla SISSA, Federico Grasselli e Stefano Baroni hanno dimostrato che ciò che era considerato una pura coincidenza si basa in realtà su solide motivazioni teoriche e che il semplice modello a carica intera descrive le proprietà di trasporto elettrico dei conduttori ionici senza alcuna approssimazione.

Oltre a risolvere un enigma fondamentale nella fisica della materia condensata, questo risultato, ottenuto nell’ambito del progetto del Centro di eccellenza Europeo MAX (Materials design at the Exascale), rappresenta anche una svolta per le sue possibili applicazioni. L’utilizzo di un modello semplice consente infatti la realizzazione di simulazioni quantistiche della conduzione elettrica in sistemi ionici che sono fondamentali per lo sviluppo di tecnologie d’impiego nel settore energetico, automobilistico e delle telecomunicazioni così come per le scienze planetarie.

Ne sono alcuni esempi le miscele ioniche adottate nelle celle elettrolitiche e negli scambiatori di calore delle centrali elettriche, le batterie elettrolitiche allo stato solido per auto elettriche e dispositivi elettronici, ma anche le fasi esotiche conduttive dell’acqua che si verificano all’interno dei cosiddetti giganti ghiacciati, quali Urano e Nettuno, e che sono ritenute responsabili dell’origine dei campi magnetici in questi pianeti.

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