I quasi-cristalli, una scoperta contestata ma che promette straordinarie applicazioni.

La scienza è in continuo divenire e a volte succede che nuove scoperte contrastano con le conoscenze attuali e rimettono in discussione alcuni argomenti ormai assodati. Rientra in questa categoria di eventi, la scoperta avvenuta nel 1982 dei quasi-cristalli ad opera di Daniel Shechtman. A causa della loro struttura, la loro esistenza si riteneva impossibile e il dottor Shechtman trovò molte difficoltà per riuscire a continuare le sue ricerche. Solo recentemente nel dicembre 2011 gli è stato infine consegnato il premio Nobel per la chimica dando così il giusto riconoscimento al grande lavoro svolto. Per quanto riguarda le applicazioni di questa scoperta possono essere le più varie considerando che sono efficienti nel condurre il calore, potrebbero essere sfruttati nel risparmio energetico per convertire il calore in elettricità oppure per la produzione di metalli più resistenti.

Per capire cosa siano i quasicristalli e per entrare in dettaglio, ospitiamo di seguito un intervento del Dott. Geol. Michelangelo Rucher che ha dato la sua disponibilità ad approfondire l’argomento. Buona lettura !

Che cosa sono i quasicristalli?

Lo dice la parola stessa, non sono cristalli o per lo meno possono essere definiti (dal punto di vista chimico-fisico) in uno stato intermedio tra il cristallo e il vetro. Per prima cosa bisogna aver chiaro che cos’è un cristallo in fisica. Un cristallo è costituito da un “adattamento” periodico di atomi o gruppi di atomi, detto reticolo.;

Andiamo in dettaglio, questi reticoli possono essere descritti con determinati elementi di simmetria: assi, piani e centri di simmetria che si riassumono in simmetrie per rotazione. Prendiamo l’esempio del comune “sale da cucina” o del Salgemma (che possiede un reticolo particolarmente semplice), esso è costituito da un numero uguale di ioni Na e Cl, disposti alternativamente sui vertici di tanti cubi ideali accostati gli uni agli altri (ovviamente si parla di posizioni atomiche medie)

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il raggruppamento degli atomi all’interno del cristallo (celle elementari) si riflette esteriormente nella sua forma. Se ruotiamo determinati reticoli su se stessi di 360°, di 180°(asse binario), 120° (asse ternario), 90° (asse quaternario) di 60° (asse senario) attorno ad ogni asse che comprende due atomi adiacenti otteniamo un cristallo che appare identico a quello di partenza. Ora, la cosa interessante è che si può dimostrare che non è possibile, matematicamente, avere certe simmetrie per rotazione nei reticoli periodici: per esempio, è impossibile avere un reticolo che abbia simmetria di rotazione quintupla (o pentagonale) rispetto ad un asse. Vale a dire che se ruoto un reticolo “qualsiasi” di 360°/5=72° questo apparirà “sempre” diverso dal reticolo di partenza, “qualunque” sia l’asse di rotazione che abbia scelto. Questo all’atto teorico, ma alcuni anni fa a metà degli anni ’80 viene fatta una sorprendente scoperta, vi sono materiali consolidati in cui gli atomi nella materia condensata mostrano forme strutturate sia ordinate che non periodiche, hanno una simmetria rotazionale (come i cristalli) ma sono privi di simmetria traslazionale e dove la stessa unità è ripetuta di continuo, ma con una rotazione angolare.

Questi sono i “Quasicristalli”, esistono alcuni composti intermetallici (sono composti ottenuti per solidificazione di fusioni metalliche) che mostrano proprio questa “impossibile” simmetria quintupla, pur avendo gli atomi una posizione nient’affatto casuale, anzi perfettamente definita e calcolabile. Questo significa che in tali composti gli atomi sono sì ordinati in una struttura ben definita, ma che tale struttura non è “periodica”, essendo invece una di quelle che in matematica si chiamano “tassellature non periodiche dello spazio” cit. Roger Penrose cioè una tassellatura (significa coprire una superficie piana con figure geometriche senza sovrapposizione e senza lasciare spazi vuoti, es. il pavimento) che non consente traslazioni almeno in due direzioni non parallele.

I Quasicristalli, che sono stati sintetizzati in laboratorio e formatisi all’interno di vari tipi di leghe metalliche, hanno mostrato quindi l’esistenza di un “nuovo stato della materia” ossia uno stato nel quale paradossalmente mentre si osservano proprieta’ fisiche tipicamente cristalline come ad esempio, presenza di forma esterna a morfologia poliedrica, diffrazione a raggi X, elettronica e neutronica ecc., contemporaneamente tali proprieta’ fisiche si manifestano secondo simmetrie spaziali “estese” che sono incompatibili con lo stato cristallino classico. La loro esistenza inoltre prova che nello stato consolidato esistono e sono termodinamicamente stabili, alcuni ritrovamenti mineralogici hanno dimostrato l’evidenza che i quasicristalli potrebbero formarsi anche in natura sotto opportune condizioni geologiche. Quasicristalli di “origine naturale” ma di provenienza extraterrestre sono stati scoperti all’interno di condriti carbonacee (rocce meteoritiche antiche), si tratta di alcuni frammenti risalenti a circa 4,5 miliardi di anni fa. Alla luce di queste scoperte si aprono nuovo scenari nel campo delle nanotecnologie e dell’ottica, nonché preziose informazioni sulla nascita del sistema solare e sui processi di formazione dello stesso.

Dott. Geol. Michelangelo Rucher

Bibliografia:

http://areeweb.polito.it/didattica/polymath/htmlS/probegio/GAMEMATH/Tassellat…

http://iisalessandrini.it/progetti/numerophi/penrose.html

http://it.wikipedia.org/wiki/Quasicristallo

http://www.lescienze.it/news/2012/01/03/news/il_primo_quasicristalli_meteorit…

http://www.altrogiornale.org/_/tagcloud/tagcloud.php?quasicristalli

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