Quasicristalli: gli amici stupidi dei cristalli

La notizia dell’osservazione dei quasicristalli è cosa vecchia di 31 anni. Tuttavia è passato soltanto un decennio da quando i ricercatori hanno cominciato ad interessarsene più accuratamente, conducendo ricerche sulla loro struttura e sulle loro possibilità di applicazione. Ma andiamo con ordine.

Cristalli e quasicristalli

Un cristallo viene comunemente definito come un solido che presenta al suo interno un ordine a lungo raggio, la struttura ripetitiva chiamata cella cristallina, ovvero ciò che (quasi) tutti abbiamo visto almeno una volta nella vita quando in chimica abbiamo studiato il legame ionico e ci hanno messo davanti agli occhi il modello a sfere del sale da cucina (NaCl): ogni atomo di cloro è circondato nello spazio da sei atomi di sodio, e così via. Il cristallo è tale perché la cella si ripete potenzialmente all’infinito o comunque in tutto il volume del campione.

Il quasicristallo in oggetto ha, invece, un comportamento diverso: è sì ordinato, ma la sua struttura non è mai uguale. In parole povere, non esiste una cella che lo identifica.

Provo a chiarire meglio il concetto: tutti a casa abbiamo un pavimento di mattonelle, quadrate o rettangolari, che ricoprono completamente la superficie. Questo schema è sicuramente ordinato, perché disposto secondo una logica (per ricoprire il pavimento segue un disegno) ed è periodico, perché le mattonelle sono tutte uguali, a meno di specifiche scelte artistiche o di arredamento. Il pavimento si comporta quindi come un cristallo.
Immaginiamo adesso che si debba ricoprire lo stesso pavimento con mattonelle pentagonali; al di là del fatto che questa è una delle scelte di cui si parlava poco fa, nel piastrellare il pavimento sarà inevitabile lasciare degli spazi vuoti tra una mattonella e l’altra; allo stesso modo non sarà possibile seguire uno schema ripetitivo, introducendo così delle aperiodicità. Se ancora il concetto non dovesse essere chiaro, la tassellatura di Penrose (rappresentata nell'immagine qui sopra) è il concetto chiave per farsi un’idea dell’ordine senza periodicità.

Il fenomeno mediatico

Quando si tratta di nuove scoperte sui materiali, fare notizia è sempre molto facile: si specula sulle possibili applicazioni, si parla delle caratteristiche del materiale facendo riferimento a fenomeni non sempre conosciuti all'autore dell’articolo (qualcuno ha detto pattern di diffrazione fotonica?), si cerca insomma di eccitare i neuroni di tutta quella fetta di lettori poco accorti.
Ma per fortuna voi avete Tasc a far luce sulle vere applicazioni e soprattutto sulle modalità di produzione di questi quasicristalli; che esistono, certo, ma non allo stato per cui sarà possibile realizzare oggetti che cambiano forma.

Produzione e applicazioni

Esaurita la vis polemica torniamo alla scienza.
Innanzitutto va detto che in natura i quasicristalli sono praticamente inesistenti: ne sono stati trovati ad oggi solo due campioni, il primo - scoperto nel 2009 - in un meteorite in Kamčatka e il secondo - udite udite - nello stesso meteorite. Davvero stupefacente. A livello prettamente accademico la scoperta è sicuramente rilevante, soprattutto tenendo conto che è stata fatta da un ricercatore italiano dell’Università di Firenze, Luca Bindi.
D’altra parte, però, questa scoperta non può fare altro che attenuare gli entusiasmi relativi ai quasicristalli, poiché la datazione scientifica fornisce una stima di circa 4 miliardi di anni di età per questi campioni: è dunque ragionevole pensare che la particolare struttura del quasicristallo si sia formata in condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) molto particolari e, se vogliamo, proibitive: si parla di centinaia di atmosfere e migliaia di gradi Celsius.

Scongiurata la possibilità della comparsa della figura professionale di “raccoglitore di quasicristalli dai meteoriti in Siberia” veniamo al dunque: come si producono i quasicristalli?
Ad oggi i quasicristalli vengono prodotti in due posti: nelle industrie Sandvik e in laboratori non meglio identificati. Questi ultimi non forniscono in rete alcuna informazione sulle modalità di produzione e si limitano a fornire i risultati delle loro ricerche: alta conducibilità termica ed eccellente resistenza a trazione.
È chiaro però come tali risultati, forniti senza le specifiche del processo di produzione, lasciano il tempo che trovano.

Il processo è lungo e complicato, e non porta chiaramente alla formazione di un solido di quasicristallo ma solo a dei precipitati.

La Sandvik, invece, è leader mondiale nella produzione di acciai e utensili industriali; fanno le cose come si deve e registrano un brevetto nel 1994, in cui forniscono le procedure per la precipitazione di strutture quasicristalline all’interno di leghe metalliche (principalmente di ferro e di alluminio). Il processo è un invecchiamento in forno per 1000 ore con rinvenimento a 650°.
Senza entrare nello specifico della metallurgia, il processo è lungo e complicato, e non porta chiaramente alla formazione di un solido di quasicristallo, ma solo a dei precipitati. I risultati sono tuttavia stupefacenti: si parla di un incremento della resistenza a trazione di 200MPa (per farci un’idea l’acciaio ha una resistenza di 220MPa che con questo trattamento raddoppia) e incredibili valori di durezza superficiale. L’applicazione è quindi indiretta: i quasicristalli trovano uso quando messi in lega e possono quindi essere applicati dovunque servano alte resistenze per i materiali metallici.

Bisogna poi far menzione di alcuni possibili utilizzi di queste particolari strutture nei campi dell’elettronica: i quasicristalli costituiscono infatti un reticolo di diffrazione che non farà diventare invisibile la vostra macchina, ma che potrebbe avere grossi riscontri nella produzione di transistor ottici. Questi farebbero esattamente ciò che fanno oggi con l’elettricità i transistor che avete nel computer con cui state leggendo questo articolo, con la sola differenza che al posto dell’elettricità ci sarebbe la luce.

Conclusioni

La ricerca è aperta, l’applicazione è limitata. Ad oggi i quasicristalli sono ingegneristicamente uno sfizio che possiamo toglierci per realizzare oggetti molto resistenti, nel caso volessimo evitare di utilizzare materiali ben meno costosi e ugualmente performanti come i materiali ceramici. Dal punto di vista scientifico sono, già dal tempo della loro scoperta, qualcosa di incredibile perché sovvertono i principi di simmetria e di periodicità su cui si fondava la cristallografia.
A voi la scelta di quale faccia della medaglia guardare ed apprezzare. RC