Daniel Shechtman attualmente professore di “Material Science” presso l’Israel Institute di Haifa e premio Nobel per la chimica per l’anno 2011, potrebbe dire a buona ragione che non sempre il conformismo, spesso origine di molti danni culturali, riesce a prevalere.
La sua scoperta dei Semicristalli, non era stata infatti accolta favorevolmente dalla comunità scientifica. L’umiliazione più profonda gli venne da Linus Pauling, uno dei più grandi chimici del secolo scorso, che in pubblico demolì le sue ricerche con sufficienza perché mettevano sottosopra la tradizionale concezione della materia solida, largamente condivisa. Le sue amarezze sono state vanificate dalla motivazione del premio, poiché come afferma l’Accademia delle Scienze Svedese: “Questa scoperta ha fondamentalmente cambiato il modo in cui i chimici osservano la materia”.
Come è noto lo stato cristallino è tipico di gran parte dei solidi, quali il diamante ed il più comune quarzo, ed è caratterizzato dal fatto che nella massa solida è presente una ripetizione periodica di atomi, molecole o gruppi di molecole allineati lungo linee che si avvicendano a distanze regolari. Sin dall’inizio del secolo scorso era stato dimostrato che quando un cristallo viene bombardato con un fascio di raggi X la luce diffratta si concentra in tipiche macchie che presentano una simmetria rotazionale. I matematici hanno dimostrato che tale risultato è compatibile con solo cinque ben definiti arrangiamenti delle particelle atomiche che danno origine alla diffrazione. Shechtman nel 1984 ha preparato una lega di alluminio-manganese, attualmente depositata presso il National Institute of Standard and Technology, dimostrando che le macchie di diffrazione si dispongono sui nodi di un pentagono che non risulta compatibile con nessuna delle strutture periodiche tipiche dei cristalli.
In sostanza si trattava di una struttura ordinata ma non periodica e quindi sembrava violare le regole con le quali gli atomi sono impacchettati nei solidi. Questo risultato emergeva chiaramente dai modelli di diffrazione ottenuti e pubblicata su un lavoro dal titolo esplicito: ”Metal Phase with Long-Range Orientation Order and No Translational Symmetry” (il documento è riportato verso la fine di questa pagina). Per questa ragione la lega venne battezzata quasicristallo ed attrasse un elevato interesse, anche se la sua scoperta faceva sorgere un enigma che lasciava perplessi e stava suscitando i menzionati contrasti nel mondo dei cristallografi. Sono dovuti trascorrere alcuni anni perché questo nuovo paradigma venisse ufficialmente accettato. La sua importanza venne consolidata attraverso l’individuazione anche da parte di altri ricercatori di diverse leghe, ad esempio di nichel-cromo, vanadio-nichel-silicio, che presentano le caratteristiche strutturali dei semicristalli.
In realtà i primi quasicristalli sintetizzati risultavano instabili e per riscaldamento si trasformavano in cristalli regolari. In accordo alla termodinamica le strutture stabili sono quelle che minimizzano l’energia libera definita come differenza fra l’energia interna e il prodotto delle temperatura assoluta moltiplicata per l’entropia.
Pertanto nel passaggio da un reticolo cristallino regolare a quello più disordinato di un semicristallo l’aumento dell’entropia è tale da conferire al secondo termine maggiore rilevanza del primo contribuendo così a rendere più stabile il solido.
Dal punto di vista matematico i quasicristalli si collocano alla metà fra l’ordine e il disordine.
A tal proposito è interessante osservare che configurazioni geometriche aventi tali caratteristiche erano state anticipate dagli anni sessanta da alcuni matematici mediante ricerche intese ad ottenere particolari disposizioni bidimensionali di mattonelle come in particolare quelle dovute a Roger Penrose, ben noto anche per le sue ricerche sulla cosmologia.
Usando due differenti serie di mattonelle è riuscito a produrre configurazioni non periodiche nel piano, come quella illustrata nella figura 3.
In realtà strutture di tale natura erano già state osservate in disposizioni decorative presenti in moschee medioevali e quindi dovute agli architetti islamici. In sostanza l’anomalia dei semicristalli trova un paragone negli inutili sforzi di un operaio intento a piastrellare un pavimento usando una sola serie di piastrelle pentagonali invece delle solite quadrate , rettangolari o esagonali.
Caratteristiche fisiche dei quasicristalli:
Le proprietà fisiche delle leghe quasicristalline sono state investigate anche teoricamente mediante la meccanica quantistica, con particolare interesse ovviamente nei riguardi del loro comportamento elettrico. Gli studi, condotti risolvendo l’ equazione di Schroedinger applicata agli elettroni presenti nei solidi fruendo di supercomputer, hanno messo in evidenza che tali elettroni si muovono al loro interno in un modo più lento di quanto si verifica in un conduttore.
Conduttori o semiconduttori?
In realtà tali calcoli non hanno ancora permesso di determinare se i quasicristalli si comportano come conduttori o come semiconduttori. In sostanza le loro proprietà elettriche costituiscono un aspetto non ancora del tutto compreso della chimica fisica dello stato solido. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche risulta che i quasicristalli sono particolarmente fragili. Questo fatto è dovuto alla presenza nel reticolo cristallino di poche dislocazioni aventi modesta mobilità. Per questo fatto risultano anche particolarmente duri e resistenti alle deformazioni. Nell’insieme la particolare struttura atomica dei semicristalli conferisce a tali materiali particolari proprietà, quali la durezza, la resistenza alla corrosione, la bassa conducibilità termica ed un basso coefficiente di attrito. In virtù di queste caratteristiche i quasicristalli risultano particolarmente adeguati per formare ricoprimenti di varia natura. Inoltre la loro presenza nell’acciaio ne rinforza la struttura stessa.
Conclusioni:
I quasicristalli costituiscono dei materiali affascinanti per le loro proprietà non convenzionali, che li rendono promettenti per potenziali applicazioni.
Prof. Sergio Carrà, Politecnico di Milano
Quasicrystal Research: A Film by Alexander Tuschinski
Bibliografia:
Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry
Physical Review Letters Volume 53, Number 20, 12 November 1984
Electron Diffraction Using Transmission Electron Microscopy
Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology Volume 106, Number 6, November-December 2001
Sitografia:
Dan Shechtman From Wikipedia, the free encyclopedia – Technion-Israel Institute of Technology – Linus Carl Pauling From Wikipedia, the free encyclopedia – Erwin Schrödinger From Wikipedia, the free encyclopedia – Roger Penrose From Wikipedia, the free encyclopedia – Electron Diffraction Using Transmission Electron Microscopy – Metallic phase with long range phys rev lett.53.1951