Un team di ricercatori dell’Argonne National Laboratory, uno dei più importanti centri di ricerca scientifica e ingegneristica degli Stati Uniti, ha scoperto come minuscole modifiche nella struttura dei superidruri avvicinino allo sviluppo di superconduttori a temperatura ambiente. La ricerca, condotta per conto del Doe, il Dipartimento dell’energia statunitense, ha sfruttato i raggi X ad altissima precisione per svelare i segreti dietro questa particolare classe di materiali.
I superidruri sono composti chimici a elevato contenuto di idrogeno che si distinguono per le loro proprietà superconduttive. Da tempo sono al centro della ricerca e della sperimentazione nella scienza dei materiali perché hanno un potenziale trasformativo rivoluzionario per diverse applicazioni tecnologiche. Lo studio dell’Argonne National Laboratory mostra esattamente una possibilità concreta per la progettazione di superconduttori più pratici destinati a cambiare interi settori industriali strategici.
In questo articolo:
- Cos’è e a cosa serve la superconduzione
- La ricerca sui superconduttori a temperatura ambiente
- La soluzione nei diamanti
- Dal laboratorio all’industria
- Il futuro passa per l’intelligenza artificiale
Cos’è e a cosa serve la superconduzione
I superconduttori sono materiali che, raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica, perdono la loro resistenza e conducono elettricità senza dispersioni termiche, espellendo i campi magnetici. Il fenomeno della superconduzione sta cambiando la tecnologia del presente e cambierà profondamente quella del futuro: i superconduttori attuali sono fondamentali per l’energia e le utility, il biomedico e la diagnostica per immagini, i trasporti e la mobilità, la difesa e il quantum computing.
Tuttavia, affinché l’elettricità fluisca senza perdite e dispersioni di energia, i superconduttori richiedono temperature estreme, in molti casi centinaia di gradi sotto lo zero. La temperatura critica per passare a questo stato raggiunge valori prossimi allo zero assoluto: -273,15 gradi Celsius. Di conseguenza, sono richiesti sistemi di raffreddamento energeticamente ed economicamente complessi e costosi. È per questa ragione che la ricerca sta lavorando a superconduttori differenti, non senza un certo scetticismo diffuso.
La ricerca sui superconduttori a temperatura ambiente
Lo studio dell’Argonne National Laboratory, condotto in collaborazione con il Lawrence Livermore National Laboratory del Doe, l’Università di Chicago e l’Università dell’Illinois e pubblicato da Nature, svela i segreti dei superconduttori ad alta temperatura e dimostra che presto sarà possibile realizzarli a temperatura ambiente, senza necessità di raffreddamento. La chiave è nei superidruri: minuscole modifiche nella struttura di questi composti consentono la superconduttività a temperature prossime ai -12 gradi Celsius. C’è però un ostacolo tecnico da superare.
Per attivare la superconduttività nei superidruri, è necessario sottoporli a pressioni oltremodo elevate, equivalenti a quelle presenti nelle profondità della Terra: 1,88 milioni di atmosfere. Una condizione impraticabile al di fuori del laboratorio. Il team dell’Argonne, guidato dal professor Russell Hemley dell’Uic, ha risolto il problema della compressione modificando la composizione chimica del materiale: i ricercatori hanno aggiunto una piccola quantità di ittrio al superidruro di lantanio per renderlo più stabile e diminuire la pressione richiesta.
La soluzione nei diamanti
Il dispositivo è stato ribattezzato a incudine di diamante perché è in grado di generare pressioni fino a 5 milioni di atmosfere comprimendo il superidruro tra due diamanti. L’acceleratore in cui è stato messo a punto è l’Aps (Advanced Photon Source) del Doe, che produce raggi X ad alta energia. “Ora possiamo studiare le strutture a livello atomico con una precisione senza precedenti nei materiali sottoposti a pressioni estreme”, ha dichiarato il fisico Maddury Somayazulu.
Naturalmente l’incudine di diamante non è utilizzabile sul piano pratico, ma la ricerca permette di poter studiare e manipolare nel dettaglio la struttura atomica dei superidruri. Il raggio X dell’Aps potenziato, infatti, ha consentito di isolare i dati del composto dai due diamanti e dai materiali circostanti, focalizzandosi su un campione spesso pochi micrometri. Il team ha così scoperto che piccole differenze nella disposizione degli atomi in un reticolo cristallino possono influenzare fortemente la superconduttività.
Dal laboratorio all’industria
La ricerca ha identificato due diverse strutture cristalline, ciascuna delle quali diventa superconduttrice a una temperatura leggermente diversa. Nonostante le pressioni utilizzate negli esperimenti siano ancora molto elevate, gli scienziati stanno aggiungendo altri elementi per ridurre ulteriormente lo schiacciamento, con l’obiettivo di rendere questi materiali utilizzabili in ambito pratico. Dal superidruro a base di lantanio si è passati all’ittrio, che abbassa la pressione e rende la struttura più stabile.
Somayazulu ha spiegato che sono proprio i diamanti ad offrire un utile termine di paragone per l’applicazione industriale di questa scoperta. In natura, i diamanti si formano nelle viscere della Terra in condizioni di pressione e temperatura estreme. Soltanto in un secondo momento sono stati sintetizzati in laboratorio. I ricercatori ritengono che quando ne verrà compresa a fondo la fisica, i superidruri potranno seguire un percorso simile.
Il futuro passa per l’intelligenza artificiale
I dati sperimentali forniti dall’Aps potenziato contribuiranno anche ad un altro scopo: alimentare modelli teorici e strumenti di Ai per la ricerca di nuovi materiali. Invece di testare soltanto poche combinazioni di superidruri in condizioni estreme e difficili da raggiungere, i ricercatori potranno utilizzare l’intelligenza artificiale per esplorare numerose possibili composizioni multi-elemento. L’Ia permetterà di concentrare gli esperimenti sulle leghe più promettenti.
“La superconduttività a temperatura ambiente rivoluzionerebbe il modo in cui immagazziniamo, trasportiamo e utilizziamo l’energia”, ha affermato il chimico dell’Uic Abdul Haseeb Manayil-Marathamkottil. “Eliminerebbe le perdite resistive, uno dei limiti fondamentali delle attuali infrastrutture, riducendo drasticamente i costi dell’energia”: un’autentica rivoluzione per il trasporto della corrente e la crescente domanda globale di elettricità, e a cascata per tanto altro, dalle telecomunicazioni ad alte prestazioni al calcolo quantistico.
