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Dietro la materia
di Ettore Perozzi*
È un vecchio vizio, per gli scienziati, quello di ridurre al minimo le ‘cause’ dei fenomeni fisici, cercando invece di moltiplicarne il più possibile gli effetti. I primi passi fatti dalla filosofia greca nell’investigare la struttura della materia puntavano a un traguardo ambizioso: la scoperta dell’unico elemento primigenio da cui sarebbe scaturito il creato nella sua multiformità. Per Eraclito si trattava del fuoco, secondo Talete tutto era riconducibile all’acqua, Anassimene indicava l’aria. Il pensiero di Empedocle, sintetizzato nella formula acqua, aria, terra e fuoco, può assurgere a simbolo di una più moderna visione della materia: le prime tre sostanze rappresentano gli stati fondamentali di aggregazione della materia – solido, liquido e aeriforme – mentre il fuoco è l’energia che permette la transizione dall’uno all’altro.
Dall’uno al molteplice
Oggi sappiamo che di ‘elementi primigeni’ ne esistono più di cento, opportunamente disposti in una tabella, la tavola periodica degli elementi, dalla quale è possibile risalire alle loro proprietà e prevedere, almeno a grandi linee, ciò che risulterà dalla loro combinazione.
Nemmeno i diversi stati in cui si manifesta una sostanza sono più rigorosamente individuabili. Si contano ormai parecchi tipi di ghiaccio, le soluzioni colloidali (miscugli di due sostanze o fasi con proprietà intermedie tra quelle delle soluzioni e quelle delle sospensioni) si differenziano dai liquidi, e i condensati di alcuni gas a temperature estremamente basse danno luogo a fenomeni sorprendenti come la superfluidità (completa assenza di viscosità) e la superconduttività (completa assenza di resistività). I cristalli liquidi, come dice il nome, hanno comportamenti ibridi tra solidi e liquidi, mentre i plasmi (flussi di particelle cariche in continua interazione elettrica e magnetica) sono stati tra i primi a fregiarsi del titolo di ‘quarto stato’ della materia. Ma procediamo con ordine.
Gli stati della materia più familiari
La suddivisione classica tra solidi, liquidi e aeriformi è figlia della cosiddetta visione meccanicistica della natura, ovvero del tentativo di rappresentare qualunque processo fisico come il risultato dell’interazione tra componenti elementari. Nel caso della struttura della materia, ciò significa determinare le modalità con cui tali componenti possono aggregarsi. Se i legami tra loro sono sufficientemente forti da bloccare le particelle in configurazioni stabili, si parlerà di stato solido, se la posizione di ogni particella è variabile ma ancora influenzata dalla presenza delle altre si otterrà un liquido, se ogni particella è libera di spostarsi nello spazio indipendentemente dalle altre, allora si è in presenza di un gas. Volendo formalizzare quanto appena detto con le grandezze della Fisica classica, diremo che lo stato di una sostanza è influenzato dalla sua pressione e dalla sua temperatura. Per esempio, è ben noto che al di là di una temperatura limite una determinata sostanza non può esistere che allo stato gassoso, mentre nell’intorno del cosiddetto punto triplo, nel diagramma pressione-temperatura, tutti gli stati sono permessi in quanto si verifica una situazione tra stato solido, liquido e gassoso.
Il denso strato di nubi che circonda il pianeta Venere nasconde una superficie caratterizzata da valori di temperatura e pressione atmosferica talmente alti (500 °C e 90 atm, rispettivamente) da far escludere la presenza di acqua liquida in superficie, con le immaginabili conseguenze per l’eventuale sviluppo di forme di vita. Sul satellite di Saturno, Titano, i valori di temperatura e pressione al suolo permettono di attribuire al metano un ruolo simile a quello svolto dall’acqua sulla Terra – con continui passaggi tra solido, liquido e aeriforme.
Il ruolo del volume
Anche il volume interviene come elemento caratterizzante dello stato di aggregazione, seppure in maniera diversificata. Se supponiamo di aver a che fare con ‘particelle’, è rappresentativo del problema il quesito posto a Johannes Kepler da un generale interessato al miglior modo di stivare le palle di cannone. La formazione di strutture regolari a livello microscopico, i reticoli cristallini, può infatti venir considerata un analogo del problema di Keplero (che, per la cronaca, indicò come soluzione la classica disposizione a piramide, anche se la rigorosa dimostrazione matematica manca ancora!). La condensazione della materia nello stato solido è in realtà un fenomeno più complesso di quanto ci si aspetti poiché dipende dalle modalità con cui avviene il processo. Il rapido raffreddamento della lava eruttata da un vulcano può portare alla formazione di rocce vetrose (come l’ossidiana) in cui è assente una struttura cristallina ordinata. Per questo motivo i vetri appartengono alla categoria dei cristalli amorfi. Un ulteriore esempio è quello legato al modo in cui gli atomi di carbonio si dispongono nella fase solida: oltre alle strutture cristalline che danno luogo al diamante (tetraedro) e alla grafite (reticoli piani), esiste una geometria in forma di domi geodetici che riproduce quella alternanza regolare di pentagoni ed esagoni che permette di chiudere una superficie sferica (si pensi al classico pallone da calcio). Tale struttura, scoperta da qualche anno e battezzata fullerene (dal nome dell’architetto Richard Buckminster Fuller che utilizzava spesso queste geometrie nelle sue costruzioni) trova applicazioni nel campo dei nanomateriali - una delle tecnologie più promettenti per il prossimo futuro, basata proprio sulla manipolazione a livello microscopico degli stati condensati della materia.
Proprietà elettriche e magnetiche e stati ‘esotici’
La suddivisione classica tra solidi, liquidi e aeriformi ha cominciato a dimostrarsi insufficiente non appena si è riusciti a penetrare la struttura intima della materia e si è tentato di risalire alle sue proprietà macroscopiche dalle forze che agiscono a livello atomico e molecolare. Quando si deve tener conto delle proprietà elettriche e magnetiche di atomi e molecole, in particolare in condizioni ambientali estreme, le eccezioni si moltiplicano. I cristalli liquidi, onnipresenti ormai nella nostra vita quotidiana perché servono per realizzare display di orologi e calcolatrici, schermi di televisori e computer, rappresentano la perfetta fusione tra le proprietà di un solido e di un liquido classici. Se sottoposti a un campo elettrico reagiscono modificando la propria struttura interna: un processo che ha come conseguenza il cambiamento delle proprietà ottiche – cioè del colore.
Di forme ‘esotiche’ della materia è disseminato l’Universo, la cui osservazione ha permesso di studiare la materia in situazioni difficilmente replicabili in laboratorio: è il caso della formazione di una pulsar – ciò che rimane dell’esplosione di una stella (supernova). Non più sostenuta da reazioni nucleari la materia viene compressa dalla sua stessa gravità fino al punto di superare la forza di repulsione elettrica in atomi e molecole e si riduce a una sorta di fluido composto da soli neutroni.
*Fisico, attualmente lavora alla Telespazio di Roma; si occupa di scienze planetarie, missioni spaziali e divulgazione scientifica.
di Ettore Perozzi*
È un vecchio vizio, per gli scienziati, quello di ridurre al minimo le ‘cause’ dei fenomeni fisici, cercando invece di moltiplicarne il più possibile gli effetti. I primi passi fatti dalla filosofia greca nell’investigare la struttura della materia puntavano a un traguardo ambizioso: la scoperta dell’unico elemento primigenio da cui sarebbe scaturito il creato nella sua multiformità. Per Eraclito si trattava del fuoco, secondo Talete tutto era riconducibile all’acqua, Anassimene indicava l’aria. Il pensiero di Empedocle, sintetizzato nella formula acqua, aria, terra e fuoco, può assurgere a simbolo di una più moderna visione della materia: le prime tre sostanze rappresentano gli stati fondamentali di aggregazione della materia – solido, liquido e aeriforme – mentre il fuoco è l’energia che permette la transizione dall’uno all’altro.
Dall’uno al molteplice
Oggi sappiamo che di ‘elementi primigeni’ ne esistono più di cento, opportunamente disposti in una tabella, la tavola periodica degli elementi, dalla quale è possibile risalire alle loro proprietà e prevedere, almeno a grandi linee, ciò che risulterà dalla loro combinazione.
Nemmeno i diversi stati in cui si manifesta una sostanza sono più rigorosamente individuabili. Si contano ormai parecchi tipi di ghiaccio, le soluzioni colloidali (miscugli di due sostanze o fasi con proprietà intermedie tra quelle delle soluzioni e quelle delle sospensioni) si differenziano dai liquidi, e i condensati di alcuni gas a temperature estremamente basse danno luogo a fenomeni sorprendenti come la superfluidità (completa assenza di viscosità) e la superconduttività (completa assenza di resistività). I cristalli liquidi, come dice il nome, hanno comportamenti ibridi tra solidi e liquidi, mentre i plasmi (flussi di particelle cariche in continua interazione elettrica e magnetica) sono stati tra i primi a fregiarsi del titolo di ‘quarto stato’ della materia. Ma procediamo con ordine.
Gli stati della materia più familiari
La suddivisione classica tra solidi, liquidi e aeriformi è figlia della cosiddetta visione meccanicistica della natura, ovvero del tentativo di rappresentare qualunque processo fisico come il risultato dell’interazione tra componenti elementari. Nel caso della struttura della materia, ciò significa determinare le modalità con cui tali componenti possono aggregarsi. Se i legami tra loro sono sufficientemente forti da bloccare le particelle in configurazioni stabili, si parlerà di stato solido, se la posizione di ogni particella è variabile ma ancora influenzata dalla presenza delle altre si otterrà un liquido, se ogni particella è libera di spostarsi nello spazio indipendentemente dalle altre, allora si è in presenza di un gas. Volendo formalizzare quanto appena detto con le grandezze della Fisica classica, diremo che lo stato di una sostanza è influenzato dalla sua pressione e dalla sua temperatura. Per esempio, è ben noto che al di là di una temperatura limite una determinata sostanza non può esistere che allo stato gassoso, mentre nell’intorno del cosiddetto punto triplo, nel diagramma pressione-temperatura, tutti gli stati sono permessi in quanto si verifica una situazione tra stato solido, liquido e gassoso.
Il denso strato di nubi che circonda il pianeta Venere nasconde una superficie caratterizzata da valori di temperatura e pressione atmosferica talmente alti (500 °C e 90 atm, rispettivamente) da far escludere la presenza di acqua liquida in superficie, con le immaginabili conseguenze per l’eventuale sviluppo di forme di vita. Sul satellite di Saturno, Titano, i valori di temperatura e pressione al suolo permettono di attribuire al metano un ruolo simile a quello svolto dall’acqua sulla Terra – con continui passaggi tra solido, liquido e aeriforme.
Il ruolo del volume
Anche il volume interviene come elemento caratterizzante dello stato di aggregazione, seppure in maniera diversificata. Se supponiamo di aver a che fare con ‘particelle’, è rappresentativo del problema il quesito posto a Johannes Kepler da un generale interessato al miglior modo di stivare le palle di cannone. La formazione di strutture regolari a livello microscopico, i reticoli cristallini, può infatti venir considerata un analogo del problema di Keplero (che, per la cronaca, indicò come soluzione la classica disposizione a piramide, anche se la rigorosa dimostrazione matematica manca ancora!). La condensazione della materia nello stato solido è in realtà un fenomeno più complesso di quanto ci si aspetti poiché dipende dalle modalità con cui avviene il processo. Il rapido raffreddamento della lava eruttata da un vulcano può portare alla formazione di rocce vetrose (come l’ossidiana) in cui è assente una struttura cristallina ordinata. Per questo motivo i vetri appartengono alla categoria dei cristalli amorfi. Un ulteriore esempio è quello legato al modo in cui gli atomi di carbonio si dispongono nella fase solida: oltre alle strutture cristalline che danno luogo al diamante (tetraedro) e alla grafite (reticoli piani), esiste una geometria in forma di domi geodetici che riproduce quella alternanza regolare di pentagoni ed esagoni che permette di chiudere una superficie sferica (si pensi al classico pallone da calcio). Tale struttura, scoperta da qualche anno e battezzata fullerene (dal nome dell’architetto Richard Buckminster Fuller che utilizzava spesso queste geometrie nelle sue costruzioni) trova applicazioni nel campo dei nanomateriali - una delle tecnologie più promettenti per il prossimo futuro, basata proprio sulla manipolazione a livello microscopico degli stati condensati della materia.
Proprietà elettriche e magnetiche e stati ‘esotici’
La suddivisione classica tra solidi, liquidi e aeriformi ha cominciato a dimostrarsi insufficiente non appena si è riusciti a penetrare la struttura intima della materia e si è tentato di risalire alle sue proprietà macroscopiche dalle forze che agiscono a livello atomico e molecolare. Quando si deve tener conto delle proprietà elettriche e magnetiche di atomi e molecole, in particolare in condizioni ambientali estreme, le eccezioni si moltiplicano. I cristalli liquidi, onnipresenti ormai nella nostra vita quotidiana perché servono per realizzare display di orologi e calcolatrici, schermi di televisori e computer, rappresentano la perfetta fusione tra le proprietà di un solido e di un liquido classici. Se sottoposti a un campo elettrico reagiscono modificando la propria struttura interna: un processo che ha come conseguenza il cambiamento delle proprietà ottiche – cioè del colore.
Di forme ‘esotiche’ della materia è disseminato l’Universo, la cui osservazione ha permesso di studiare la materia in situazioni difficilmente replicabili in laboratorio: è il caso della formazione di una pulsar – ciò che rimane dell’esplosione di una stella (supernova). Non più sostenuta da reazioni nucleari la materia viene compressa dalla sua stessa gravità fino al punto di superare la forza di repulsione elettrica in atomi e molecole e si riduce a una sorta di fluido composto da soli neutroni.
*Fisico, attualmente lavora alla Telespazio di Roma; si occupa di scienze planetarie, missioni spaziali e divulgazione scientifica.
