CHIMICA/ Dalla California arriva il diamante aerogel ultraleggero

L’anidride carbonica, spiega EMANUELE ORTOLEVA, si è rivelata utile per ottenere l’aerogel, un materiale solido di bassissima densità, in gran parte vuota, ma con buona resistenza meccanica

03.06.2011 - Emanuele Ortoleva
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L'aerogel

Il carbonio è il quarto elemento chimico più abbondante nella nostra galassia dopo idrogeno, elio e ossigeno, è il secondo, dopo l’ossigeno, nella composizione del corpo umano ma la chimica degli esseri viventi è essenzialmente la chimica del carbonio. Col carbonio l’uomo si è scaldato dalle origini fino ai giorni nostri: legna, carbone, petrolio.
Ma il carbonio non ha finito le sue sorprese; allo stato solido lo conosciamo in due forme cristalline molto differenti: la grafite e il diamante.
Il primo è nero e tenero, l’usiamo per scrivere, il secondo, trasparente, è la sostanza più dura che conosciamo. La grafite si trasforma in diamante a pressioni molto alte e in questo modo è possibile creare artificialmente dei diamanti, non così belli da usarli in gioielleria ma certamente utilissimi per molti utensili da taglio. I diamanti naturali si sono formati alle alte pressioni e temperature degli strati geologici profondi (mantello).
Un gel è un particolare materiale formato da un liquido disperso in una matrice solida, le particelle che formano la struttura hanno dimensioni che variano da 1nanometro a 1micron (ovvero da un miliardesimo a un milionesimo di metro), possiamo quindi parlare, con un termine di moda, di nanostrutture. Il nome gel deriva da gelatina, proprio quella del pollo in gelatina, in cui il liquido disperso è l’acqua e la sostanza solida è formata da proteine: quando mangiate un aspic mangiate una nanotecnologia! Quasi sempre nelle confezioni di apparecchiature elettroniche, fotocamere, cellulari, e così via, si trovano dei sacchettini di una sostanza granulare traslucida che servono a difendere l’oggetto dall’umidità: il Silica Gel, ovvero il gel di silice, che ha un’elevata capacità di assorbire l’acqua.

Ovviamente questi sono solo due esempi, moltissimi altri gel li possiamo incontrare, senza saperlo, nella vita di tutti giorni. La variante del gel, quando la fase dispersa è un gas si chiama areogel. Si ottiene da un gel eliminando la fase liquida, l’operazione è molto delicata perché nell’evaporazione del liquido è facile che la struttura solida, molto porosa collassi.
La soluzione del problema è stata trovata nell’uso come fase liquida dell’anidride carbonica supercritica: cioè in quella particolare condizione in cui si trovano i gas ad alta temperatura e pressione per cui si comportano contemporaneamente come un liquido ed un gas, per l’anidride carbonica bastano un centinaio di atmosfere. In questo modo è possibile allontanare la fase fluida senza brusche trasformazioni che alterino quella solida.
L’areogel che si ottiene è un materiale solido di bassissima densità, è in gran parte vuota come una schiuma, tuttavia conserva una buona resistenza meccanica. Data l’altissima porosità presenta una grandissima superficie e le eccezionali proprietà derivano proprio da questo fatto, per esempio assorbire una gran quantità di gas dall’ambiente esterno o la possibilità, quando il solido è conduttore, di costruire condensatori elettrici di piccole dimensioni e altissima capacità.
Il primo areogel prodotto è stato quello di silice, che ha una densità che è un millesimo di quella del vetro, composto anche’esso essenzialmente di silice.  Esso possiede una straordinariamente bassa conducibilità termica, per cui ne basta un esiguo spessore per realizzare degli esperimenti sorprendenti come quello mostrato in figura: non c’è trucco non c’è inganno, non è un gioco di prestigio, la fiamma è vera! Ad esempio è usato come isolante termico nelle tute spaziali degli astronauti.

Torniamo ora al nostro carbonio: sono noti areogel di carbonio, la fase solida è data da carbonio amorfo. Ma la storia non è ancora finita. In un recente articolo sulla rivista dell’Accademia delle Scienze statunitense, viene riportato il lavoro di un folto gruppo di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e dell’Università di Berkeley che sono riusciti a trasformare la grafite di un normale areogel di carbonio in diamante.
L’eccezionalità dell’operazione è data dall’elevatissima pressione, vista in precedenza, a cui si è dovuto sottoporre una struttura sostanzialmente delicata come un areogel per ottenere la trasformazione. La pressione applicata è stata superiore a 20 GigaPascal, mentre il campione veniva scaldato da un laser a circa 1300 °C, occorre notare che pressioni simili si possono ottenere solo ponendo il campione tra incudini di diamante: ancora il carbonio!
La conclusione non sarà certo un diamante superleggero incastonato in un anello, ma date le eccezionali proprietà ottiche del diamante e la possibilità di modularle durante la formazione dell’aroegel le applicazioni più prevedibili sono nel campo dell’ottica.

Diagramma delle fasi del carbonio: indica a che temperatura e pressione si ha il solido (grafite o diamante), il liquido o il vapore. Tenere presente che la pressione atmosferica al livello del mare è 101325 Pa (Pascal), mentre 1 GPa è un miliardo di Pa, ovvero 10000 atmosfere. Dal grafico si vede che per trasformare la grafite in diamante (freccia rossa) occorrono una decina di GPa.



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