Il disordine nel cristallo

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Mentre l’acqua scorre: in ogni goccia si forma una miscela chimica diversaMentre l’acqua scorre: in ogni goccia si forma una miscela chimica diversa, esattamente nelle stesse condizioni marginali. Immagine: Empa

I cristalli composti da elementi misti casuali - i cosiddetti materiali ad alta entropia - stanno attualmente suscitando un crescente interesse scientifico. Il loro vantaggio è che sono particolarmente stabili a temperature estremamente elevate e potrebbero essere utilizzati per l’accumulo di energia e i processi chimici. Un team dell’Empa sta producendo e studiando questi misteriosi materiali ceramici, conosciuti solo dal 2015.

La natura tende al disordine. È una frase piacevole e confortante quando una tazza di caffè si è rovesciata di nuovo sulla tastiera del computer e si desidera che il liquido dolce e lattiginoso ritorni nella tazza, dove era solo pochi secondi prima. Ma non si tratta di desiderare, perché, come abbiamo detto, la natura tende al disordine.

Gli scienziati hanno coniato il termine entropia per descrivere questo effetto, una misura del disordine. Nella maggior parte dei casi, se il disordine aumenta, i processi si svolgono spontaneamente e il ritorno all’ordine precedente è bloccato. Vedere la tazza di caffè che si rovescia. Anche le centrali termiche, che producono un’enorme nuvola di vapore sopra la loro torre di raffreddamento a partire da una buona catasta di legna o da un mucchio di carbone, operano sotto l’effetto dell’entropia. Il disturbo aumenta drasticamente in molti processi di combustione - e l’uomo ne approfitta per pompare un po’ di energia sotto forma di elettricità nel processo per i propri scopi.

I cristalli sono considerati l’esatto contrario del disordine. In una struttura cristallina, tutti gli elementi del reticolo sono disposti ordinatamente uno accanto all’altro nel volume più piccolo possibile. L’idea che i cristalli possano essere stabilizzati dalla forza dell’entropia e quindi creare una nuova classe di materiali è quindi ancora più bizzarra.

I materiali stabilizzati dall’entropia sono ancora un campo di ricerca giovane. I primi passi sono stati compiuti nel 2004 con le leghe ad alta entropia, ovvero una miscela di cinque o più elementi che possono essere mescolati tra loro. Quando la miscela è ben riuscita e tutti gli elementi sono distribuiti in modo uniforme, a volte emergono proprietà speciali che non derivano dai singoli ingredienti, ma dalla loro miscela. Gli scienziati chiamano questi effetti "cocktail".

Dal 2015 è noto che anche i cristalli di ceramica possono essere stabilizzati dalla "forza del disordine". Ciò significa che anche gli elementi sovradimensionati o sottodimensionati entrano nel cristallo, cosa che normalmente lo distruggerebbe. Il team di ricerca dell’Empa è già riuscito a inserire nove diversi atomi in un cristallo. Il vantaggio: anche ad alte temperature rimangono stabili, perché un "riarrangiamento" porterebbe a un maggiore ordine. La ricerca naturale del massimo disordine stabilizza così l’insolita struttura cristallina, e quindi l’intero materiale.

"Fino a quattro componenti in un cristallo, tutto è ancora normale, ma da cinque componenti in su, il mondo cambia", spiega Michael Stuer, ricercatore del dipartimento High Performance Ceramics dell’Empa. Da quando il ricercatore, cresciuto in Lussemburgo, è entrato a far parte dell’Empa nel 2019, ha lavorato nell’area di ricerca dei cristalli ad alta entropia. "Questa classe di materiali ci apre una serie di nuove opportunità", spiega Stuer. "Possiamo stabilizzare i cristalli che altrimenti si disintegrerebbero a causa delle tensioni interne. E possiamo creare superfici cristalline altamente attive che non sono mai esistite prima e cercare interessanti effetti cocktail.

Insieme alla collega Amy Knorpp, Stuer si sta ora avventurando nell’ignoto. Entrambi sono specializzati nella produzione di polveri di cristalli fini e hanno colleghi all’Empa per l’analisi a raggi X e delle superfici per caratterizzare accuratamente i campioni prodotti. Con il loro aiuto, Michael Stuer vuole ora giocare un ruolo di primo piano sulla scena internazionale. "Il numero di pubblicazioni sul tema dei cristalli ad alta entropia è attualmente in forte aumento. E noi vogliamo farne parte fin dall’inizio", spiega il ricercatore.

Ora è necessario un approccio sistematico, conoscenze specialistiche e una buona dose di perseveranza. Da dove cominciare - qual è la direzione da seguire? "Al momento non esistono competenze coerenti né una panoramica completa di questo nuovo campo di ricerca", spiega Stuer. "Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando su progetti limitati. Di conseguenza, si stanno formando isole di conoscenza isolate che dovranno convergere nei prossimi anni.

Michel Stuer e Amy Knorpp si concentrano sui materiali cataliticamente attivi. La reazione chimica a cui sono interessati prevede la combinazione diCO2 e idrogeno per formare metano. L’idea è quella di trasformare un gas a effetto serra in un combustibile sostenibile e conservabile. "Sappiamo che le molecole diCO2 si adsorbono particolarmente bene su determinate superfici e che la reazione desiderata avviene più facilmente e più rapidamente", spiega Amy Knorpp, "Ora stiamo cercando di creare cristalli entropici con aree altamente attive sulle loro superfici".

Per progredire più rapidamente, i ricercatori, con l’aiuto dell’officina dell’Empa, hanno costruito uno speciale apparecchio di sintesi in cui numerose miscele chimiche possono essere testate una dopo l’altra, proprio come in una catena di montaggio. Nel "reattore a tubo di flusso segmentato", piccole bolle vengono fatte passare attraverso un tubo in cui avviene la reazione in questione. Alla fine, le bolle vengono svuotate e la polvere che contengono può essere lavorata.

"Il ’reattore a tubo di flusso segmentato’ ha un enorme vantaggio per noi: tutte le bolle sono della stessa dimensione, quindi abbiamo sempre condizioni limite ideali e costanti per le nostre sintesi", spiega Stuer. "Se abbiamo bisogno di quantità maggiori di una miscela particolarmente promettente, produciamo semplicemente diverse bolle con la stessa miscela, una dopo l’altra.

La polvere viene poi trasformata in cristalli fini delle dimensioni e della forma desiderate mediante vari processi di essiccazione. "I cristalli sono come le case, hanno pareti esterne chiuse e altre con finestre", spiega Michael Stuer. A volte la forma del cristallo indica già il lato della finestra. Questo è il caso in cui una miscela forma cristalli aghiformi. "I lati lunghi dell’ago hanno meno energia. Non succede molto lì. Ma i bordi dei cristalli all’estremità dell’ago hanno molta energia. È qui che la cosa si fa interessante", dice Stuer.

Per il loro primo grande progetto, i ricercatori dell’Empa hanno unito le forze con i colleghi dell’Istituto Paul Scherrer (PSI). In un reattore sperimentale si sta studiando la possibilità di metanizzare laCO2 proveniente da impianti di biogas e da impianti di trattamento delle acque reflue. I ricercatori del PSI hanno già acquisito esperienza con diversi catalizzatori e continuano a incontrare un problema: il catalizzatore sulla cui superficie avviene la reazione chimica si indebolisce nel tempo. Ciò è dovuto al fatto che i componenti di zolfo presenti nel biogas sporcano la superficie o che le superfici dei catalizzatori subiscono trasformazioni chimiche ad alte temperature.

I ricercatori sono alla ricerca di una svolta con i cristalli entropici, che non si riorganizzano nemmeno ad alte temperature, ma sono stabilizzati dal disordine. "Speriamo che i nostri cristalli durino più a lungo nel processo e che alla fine siano meno sensibili all’inquinamento da zolfo", spiega Stuer.

In seguito, gli specialisti di cristallo dell’Empa saranno pronti per altre sfide: ad esempio, batterie ad alte prestazioni, ceramiche superconduttrici o catalizzatori per i gas di scarico delle auto e altri processi chimici. "È una foresta oscura quella in cui ci addentriamo", dice Amy Knorpp, "ma abbiamo un’idea di dove andare per trovare qualcosa. Ora stiamo disegnando una mappa di questi sistemi. Da qualche parte, pensiamo, c’è uno scrigno pieno di scoperte.