Materiali

Per la maggior parte delle persone, quando si parla di cristalli si intendono diamanti, pietre dure o forse i cristalli di ametista o di quarzo amate dai collezionisti. Per Norman Yao, questi cristalli inerti sono solo la punta dell’iceberg.

Se i cristalli hanno una struttura atomica che si ripete nello spazio, come il reticolo di carbonio di un diamante, perché allora i cristalli non potrebbero avere una struttura che si ripete nel tempo?

Cioè un cristallo temporale?

In un documento presentato on line sulla rivista Physical Review Letters l’assistente professore di fisica della UC Berkeley descrive esattamente come creare e misurare le proprietà di tali cristalli e anche prevedere quali siano le varie fasi che dovrebbero circondare il cristallo temporale, simili alle fasi liquide e gassose nel ghiaccio.

Questo diagramma di fase mostra come il modificare i parametri sperimentali possa “fondere” un cristallo di tempo in un normale isolante o portarlo in uno stato termico ad alta temperatura. Grafica di Norman Yao.

Questa non è solo mera speculazione. Due gruppi hanno seguito le indicazioni di Yao ed hanno già creato i primi cristalli temporali.

Le leghe a memoria di forma sono materiali dalle caratteristiche sorprendenti in alcuni regimi di temperature sono elastici come le gomme, possono cioè essere fortemente deformati e comunque recuperare la forma originale una volta che il carico meccanico venga rimosso; in altri regimi di temperatura le deformazioni invece permangono dopo la rimozione del carico meccanico; tuttavia il materiale recupera la forma iniziale se sottoposto a un ciclo di riscaldamento e raffreddamento opportuno.

Alcune leghe metalliche a memoria di forma sono inoltre ferromagnetiche: deformazioni anche importanti possono essere attivate a distanza mediante l'imposizione di un campo magnetico. Questi straordinari effetti sono alla base dell'enorme interesse per questi materiali, che trovano applicazione in ambiti anche molto distanti, tra cui sensoristica, antisismica e aerospaziale. Un contesto di grande rilevanza che vede un massiccio impiego delle leghe a memoria di forma è la biomeccanica, dalle protesi vascolari alle guide medicali, fino agli apparecchi ortodontici.

Il progetto BioSMA si è concentrato sulla possibilità di modellizzare matematicamente alcuni aspetti del comportamento dei materiali a memoria di forma tutt'ora poco compresi e di grande rilevanza applicativa. Ci si è occupati della modellazione dell'accoppiamento degli effetti meccanici e termoelastici, dei fenomeni di fatica e danneggiamento e dell'effetto ferromagnetico.

Il diamante naturale è una forma allotropica del carbonio ed è costituito da un reticolo cristallino di atomi disposti in una struttura tetraedrica creato attraverso un processo di natura geologica.

I diamanti sintetici sono invece un prodotto tecnologico che l’uomo ha tentato di riprodurre in laboratorio fin dal diciannovesimo secolo.

Tuttavia solo a partire dal 1940, negli Stati Uniti, in Svezia e nell'Unione sovietica, usando i processi di sintesi a deposizione chimica da vapore (Chemical Vapor Deposition - CVD) e di sintesi ad elevata pressione e temperatura (High - Pressure High - Temperature - HPHO) ha avuto inizio una vera e propria ricerca sistematica.

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Trento (Laboratorio IdEA del Dipartimento di Fisica) in collaborazione con il Centro di Neuroscienze e Sistemi Cognitivi dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Rovereto (CNCS - IIT) coordinato da Angelo Bifone ha condotto una ricerca, pubblicata su Scientific Reports, sulla produzione di diamanti di dimensione nanometrica attraverso l’emissione di impulsi molto intensi di luce ultravioletta verso della grafite contenuta in un bicchiere d’acqua.