I cristalli e il loro straordinario potenziale

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I cristalli e il loro straordinario potenziale BEST5.IT 2016-12-02 19:51:07
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I cristalli si usano ovunque, dall'orologio al televisore e sono in realtà parte integrante del mondo moderno in cui viviamo. 

L'origine del termine cristallo deriva dal greco κρυσταλλος, che significa ghiaccio, poiché nell'antichità si credeva che il quarzo fosse ghiaccio indurito dal freddo invernale. I cristalli sono delimitati da combinazioni di facce che formano angoli costanti tra loro in cristalli della stessa sostanza.

Durante la crescita possono essere inclusi nel cristallo elementi chimici estranei o microscopiche cavità, che alterano il colore del cristallo (il suo colore è determinato dalla composizione chimica). Sono formati dall'assemblaggio di miliardi di miliardi di molecole o ioni di una stessa sostanza, che si depositano sulle facce via via che il cristallo si sviluppa.

La deposizione di materiale durante la crescita può avvenire da una soluzione, da un liquido, dal vapore. Un cristallo, infine, è formato dalla ripetizione infinita di molecole disposte in modo simmetrico in una cella elementare in modo da riempire lo spazio il più possibile. 

Ce ne sono di tutte le forme, dimensioni e colori; ce ne sono di abbondanti ma con caratteristiche incredibilmente utili, o così rari che le famiglie reali li bramano. Esistono dei cristalli giganteschi (un tipo di gesso) che si trovano 300 metri sotto terra a Naica, in Messico; i più grandi sono lunghi 11 metri e pesano addirittura 55 tonnellate

Queste meraviglie naturali resterebbero un affascinante mistero, se non ci fosse un modo per svelarne i segreti. E' stato 100 anni fa che la tecnica della diffrazione dei raggi X permise per la prima volta lo studio particolareggiato dei cristalli.

Per ricordare questa tappa fondamentale, il 2014 è stato proclamato Anno internazionale della cristallografia, una celebrazione che dura 12 mesi dei metodi scientifici usati per rivelare le strutture naturali alla base di buona parte della nostra tecnologia. 

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Scopriamo insieme alcuni dei membri più notevoli della famiglia dei cristalli e il loro straordinario potenziale.

1. Diamante Steinmetz

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A novembre del 2013 è stato venduto a Ginevra il diamante più costoso del mondo per la cifra strabiliante di 68mila franchi svizzeri (circa 56mila euro).

Il brillante rosa Steinmetz rosa, o Pink Star, misura 2,69 per 2,06 centimetri e pesa quasi 20 grammi. Il nome deriva dallo "Steinmetz Diamond Group", la società che lo ha prodotto e ne è ancora proprietaria. Fu scoperto in Sudafrica in data imprecisata.

Come tutti i diamanti, è formato da un reticolo cristallino tridimensionale di atomi di carbonio, ognuno dei quali è legato ad altri quattro. E' proprio questa struttura rigida che fa del diamante la sostanza più dura che si conosca in natura. 

Un gruppo di dieci gemmologi impiegò venti mesi per il taglio; dopo aver studiato 50 diversi tipi di taglio venne scelta una forma ovale mista. Il diamante finito fu presentato in pubblico in maggio 2003 a Monaco di Baviera, indossato dalla supermodella Helena Christensen. Poco dopo il diamante fu esposto per alcuni mesi allo Smithsonian Institute di Washington assieme ad altri diamanti celebri, tra cui il Millennium Star, il Heart of Eternity e il Moussaieff rosso.

Il Gemological Institute of America ha classificato il diamante Steinmetz rosa come "Internally Flawless" (senza imperfezioni interne) e di colore rosa intenso (Fancy Pink).

I diamanti del tutto puri sono incolori, ma qualche difetto nel reticolo li può rendere rosa, marroni o rossi. Eventuali impurità di altri elementi intrappolati nel reticolo di carbonio possono dar luogo a diamanti con sfumature gialle, azzurre o verdi.

2. Cristalli liquidi e LCD

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La prossima volta che cucinate le carote potreste, senza farci caso, creare un cristallo liquido.

Il botanico austriaco Friedrich Reinitzer scoprì questi fenomeni nel 1888, mentre studiava i derivati del colesterolo nelle piante. Notò che le molecole dello strano liquido torbido che aveva creato si disponevano in schemi regolari simili a quelli di un cristallo solido.

I cristalli liquidi, infatti, pur presentando alcune caratteristiche dello stato liquido, come per esempio la fluidità, esibiscono una disposizione ordinata delle loro molecole, simile a quella che si osserva nei solidi cristallini.

Il cristallo liquido è una forma della materia in cui le molecole sono a metà tra lo stato solido e quello liquido, quindi si possono muovere liberamente, come in un liquido, ma hanno ancora un’organizzazione interna che è possibile modificare. 

Da quando Friedrich Reinitzer li scoprì, ne sono state scoperte varie altre forme, come il liquido nematico, che ora è impiegato nella maggior parte dei televisori e monitor moderni. Le molecole di queste sostanze si allineano parallelamente in modo spontaneo, ma cambiano orientamento quando si applica una differenza di potenziale, alterando il modo in cui interagiscono con la luce.

Per creare uno schermo LCD si racchiude uno strato sottilissimo di liquido nematico tra due elettrodi trasparenti che applicano il voltaggio necessario. Si usano poi filtri rossi, verdi e blu per ottenere i colori desiderati.

3. Zeoliti e cristalli minuscoli

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I cristalli più piccoli mai misurati hanno uno spessore di appena 100 nanometri, qualcosa come 1/800 della larghezza di un capello.

Detti ITQ-43, erano così piccoli che, per osservarne la struttura, il dottor Ute Kolb dell'Università di Magonza (Germania), ebbe bisogno di una tecnica nuova, detta tomografia a diffrazione elettronica: essa ha mostrato una serie di canali con sezione a quadrifoglio che si ripetevano periodicamente, collegati da canali più stretti.

Questi agiscono come imbuti, controllando la diffusione delle molecole. Gli ITQ-43 sono zeoliti, cristalli sintetici che hanno molti usi importanti, dai catalizzatori ai filtri per gli acquari. 

La forma e le dimensioni dei pori che contengono sono cruciali per il loro funzionamento. Gli ITQ-43 hanno pori piccoli e medi e sono formati da atomi di silicio e di germanio. Sono stati creati da un grupo di scienziati spagnoli
e cinesi.

Le zeoliti (dal greco zein, "bollire" e lithos, "pietra" per il motivo che se le zeoliti vengono riscaldate si rigonfiano) sono una famiglia di minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa caratterizzati da una enorme quantità di volumi vuoti interni ai cristalli.

La parola zeolite (pietra che bolle) fu coniata dallo studioso svedese Axel Fredrik Cronstedt che osservò il liberarsi di vapore acqueo (dovuto all'acqua intrappolata nelle cavità) scaldando uno di questi minerali.

La zeolite è uno strano materiale. Basta spruzzarci sopra un po' d'acqua e immediatamente comincia a emanare calore. Arriva fino a 80 gradi, per poi asciugarsi e tornare rapidamente allo stato di partenza, pronta a surriscaldarsi di nuovo (non per niente il suo nome significa "pietra che bolle").

Si comporta così per il modo in cui è fatta, perché ha al proprio interno minuscole cavità che intrappolano le particelle d'acqua e, frenandole, fanno sì che l'energia che le molecole possiedono si trasformi in calore.

Le zeoliti sintetiche vengono frequentemente sintetizzate lavorando ad alte pressioni con l'ausilio di autoclavi. Esistono numerosissime zeoliti, sia naturali che di sintesi, molte delle quali hanno proprietà utili nell'industria: sono ad esempio utilizzate nell'industria petrolchimica come catalizzatori eterogenei, nei detergenti in sostituzione dei polifosfati, in agricoltura, in edilizia, nell'addolcimento delle acque e in medicina per indurre la coagulazione del sangue ecc.

4. Quarzo

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Il quarzo, uno dei minerali più  importanti e più diffusi presenti in natura (si trova soprattutto nella crosta terrestre), è composto da un reticolo tridimensionale regolare di atomi di silicio e ossigeno.

Questo minerale può presentarsi sotto forma di cristallo (può raggiungere anche notevoli dimensioni), e può trovarsi sia isolato, sia associato ad altri cristalli.

Possono essere individuate numerose varietà di quarzo sotto forma di cristallo, e tutte queste varietà sono distinguibili fra loro in base al colore che presentano.

Il quarzo ha la caratteristica di poter essere sottoposto ad alte temperature, senza perdere le sue caratteristiche. Ha, inoltre, una proprietà molto utile: se compresso o piegato, genera sulla superficie una carica elettrica (è dotato cioè del carattere della polarizzazione rotatoria delle sue facce).

Questo fenomeno noto come piezoelettricità, funziona anche all'inverso: se si fa passare una carica attraverso un cristallo di quarzo, esso si piega. Quindi, applicando a intermittenza una corrente esterna, si può far oscillare un campione di quarzo. Questo fenomeno è ampiamente utilizzato per la realizzazione di parecchi strumenti elettronici e digitali. 

Sfruttando questo fenomeno è possibile usare i cristalli, in particolare per segnare il tempo. La frequenza dell'oscillazione dipende dalle dimensioni e dalla forma del cristallo e da come viene applicata la corrente. In genere vengono fabbricati in modo da vibrare 32.768 volte al secondo; a quel punto, un contatore digitale crea una volta al secondo un impulso per far muovere le lancette di un orologio. Sono accuratissimi, se la temperatura è costante.

Per quanto riguarda gli orologi da polso, è il nostro corpo che contribuisce a stabilizzare la temperatura. Il quarzo, inoltre, per la sua capacità di raggiungere elevate temperature, viene utilizzato per la realizzazione dei bulbi delle lampade ad incandescenza, per la creazione di corpi a irradiazione e di materiali isolanti.  

E', infine, fortemente utilizzato nell'industria ottica, per la fabbricazione di lenti, specchi astronomici, prismi, ecc.

5. Icosaedrite e quasicristalli

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All'inizio degli anni Ottanta, lo scienziato israeliano Dan Shechtman scoprì che i cristalli potevano formare strutture che sono ordinate, ma non si ripetono mai.

L'idea era così strana che Shechtman non pubblicò i propri risultati per due anni, temendo che nessuno gli avrebbe creduto. Col senno di poi, non si sarebbe dovuto preoccupare, visto che nel 2011 gli fu conferito il premio Nobel per il suo lavoro. 

In generale, un minerale è un solido cristallino in cui la posizione degli atomi è disposta in un reticolo periodico di punti, che si ripetono nelle 3 dimensioni allo stesso modo, e dove ogni cella elementare ha uno schema identico a quelle che la circondano.

Nei quasicristalli lo schema è quasiperiodico. La disposizione locale degli atomi è fissa e regolare, ma non è periodica in tutto il materiale: ogni cella ha una configurazione differente di celle che la circondano. Le strutture dette oggi "quasicristalli", ricordano i mosaici moreschi, come quelli dell'Alhambra a Granada, in Spagna.

Poiché gli elettroni e fononi nei quasicristalli non incontrano un potenziale periodico, tali materiali mostrano insolite proprietà fisiche (specialmente resistività e alcune proprietà elastiche). Molto recentemente la simmetria proibita dei quasicristalli è stata sfruttata per creare nuove guide d’onda fotoniche. 

Dal momento della pubblicazione di Shechtman sono state create in laboratorio centinaia di quasicristalli, a diversa composizione chimica, utilizzati in una varietà di applicazioni, dalle pellicole antiaderenti delle padelle e delle posate, a cuscinetti a sfera e persino nelle lamette da barba, ma il mondo ha dovuto aspettare fino al 2010 perché se ne identificasse uno in natura.

Questo cristallo sfuggente, chiamato icosaedrite, è stato trovato all'interno di un meteorite di nome "Khatyrka" nei remoti monti dei Coriacchi, in Russia; è letteralmente caduto dal cielo.

Gli studi successivi hanno messo in evidenza la composizione del minerale e ne hanno indicato l’origine non terrestre. La rilevazione degli isotopi dell’ossigeno ha dimostrato, infatti, che appartiene ad un meteorite vecchio di 4,5 miliardi di anni, formatosi all'inizio del sistema solare.



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