Nuovi materiali cristallini: scoperta

Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory hanno comunicato un nuovo metodo per scoprire e creare nuovi materiali cristallini con due o più elementi. Alla ricerca hanno partecipato, tra gli altri, i chimici Xiuquan Zhou i cui interessi si concentrano sulla sintesi esplorativa di nuove strutture e composti utilizzando soluzioni ad alta temperatura, come i sali fusi e Mercouri  Kanatzidis i cui studi si rivolgono a materiali termoelettrici, nanostrutturati, intermetallici, semiconduttori mesoporosi, materiali a cambiamento di fase e polimeri conduttori

Secondo quanto asserisce il Prof. Kanatzidis:
“ Non ci interessa far conoscere meglio i materiali, ma scoprire materiali che nessuno conosceva o che i teorici immaginavano nemmeno esistessero.”

Cristalli

I cristalli sono solidi e hanno facce piane poligonali i cui costituenti, come atomi, molecole o ioni, sono disposti in una struttura altamente ordinata con una distribuzione regolare e periodica. Essa può essere descritta con un modello geometrico regolare formato da un insieme di punti detti nodi nei quali si considera concentrata tutta la massa di ciascuna particella. Unendo i nodi con una serie di linee immaginarie si ottiene una struttura tridimensionale a cui si dà il nome di reticolo spaziale o di reticolo cristallino. Le particelle che costituiscono il cristallo, sia esso ionico, molecolare, covalente o metallico, sono legate tra loro da forti forze attrattive.

Superconduttori non convenzionali

La scoperta nasce dagli studi sui superconduttori inusuali che non rispettano né la  teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BSC) né quella di Nikolay Nikolayevich Bogolyubov. La teoria BSC descrive la superconduttività come un effetto microscopico causato da una condensazione di coppie di Cooper. Una coppia di Cooper è una coppia di elettroni legati insieme a basse temperature in un certo modo descritto per la prima volta nel 1956 dal fisico americano Leon Cooper

I superconduttori non convenzionali sono costituiti da due o più elementi, almeno uno dei quali non è un metallo

La superconduttività non convenzionale si riferisce ai superconduttori in cui le coppie di Cooper non sono legate insieme dallo scambio di fononi ma da uno scambio di qualche tipo, come fluttuazioni di spin in un superconduttore.

Tale superconduttività non convenzionale è nota sperimentalmente da quando nel 1979 è stato scoperto che il fermione pesante CeCu2Si2 , con i suoi elettroni 4f fortemente correlati, è superconduttore al di sotto di 0.6 K.

Le ricerche

Negli ultimi cinquant’anni, gli scienziati hanno scoperto e realizzato molti superconduttori non convenzionali con sorprendenti proprietà magnetiche ed elettriche. Tali materiali hanno, tra le possibili applicazioni, una migliore generazione e trasmissione di energia. Hanno anche il potenziale per essere incorporati in futuri acceleratori di particelle, sistemi di imaging a risonanza magnetica, computer quantistici e microelettronica ad alta efficienza energetica.

La scoperta

Per ottenere questi nuovi materiali cristallini si è utilizzata una soluzione costituita da un solvente molto efficace in grado di solubilizzare e reagire con eventuali solidi. Vi è poi un solvente non particolarmente efficace utilizzato per regolare la reazione in modo da produrre un nuovo solido dopo l’aggiunta di alcuni elementi. Questo processo comporta la modifica del rapporto tra i due componenti e la temperatura.

Nell’esperimento la temperatura è abbastanza alta, da 400 a 700 °C. Con questo metodo si può evitare l’ottenimento di materiali noti e seguire nuovi percorsi verso nuovi orizzonti. I  ricercatori hanno applicato il loro metodo a composti cristallini costituiti da tre a cinque elementi ottenendo 30 composti sconosciuti di cui 10 con strutture mai viste prima. Tramite strumentazioni come la ChemMatCARS sono riusciti a tracciare l’evoluzione delle strutture per le diverse fasi chimiche che si sono formate durante il processo di reazione.

Il  metodo può essere applicato a quasi tutti i solidi cristallini e alla produzione di molte diverse strutture come strati impilati, un singolo strato spesso un atomo e catene di molecole che non sono collegate. Queste  strutture hanno proprietà diverse e sono fondamentali per lo sviluppo di materiali di prossima generazione applicabili non solo ai superconduttori, ma anche alla microelettronica, alle batterie e ai magneti

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