Cos’è il grafene

Volete vincere un Nobel e scoprire un materiale con praticamente tutte le proprietà migliori? Prendete una matita e un rotolo di scotch. Sul serio.

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Fenomenali poteri cosmici e minuscolo spazio vitale

Non sarebbe bellissimo portare l'universo in laboratorio? L’astronomia è una delle parti della fisica che più catturano la fantasia. Svelare i misteri dell’universo, d’altra parte, è indubbiamente affascinante. Purtroppo galassie e buchi neri non collaborano agli esperimenti.

Un gruppo di fisici, che fa capo all’Università Federico II di Napoli, sta lavorando ad una soluzione.

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Fulmini e saette!

Lo sapevate? I fulmini non vengono dalla collera degli dei!

Scherzi a parte, la faccenda è tutt’altro che semplice e non c’è ancora molto che non abbiamo capito. Quindi è comprensibile che in antichità abbiamo usato qualche spiegazione fantasiosa..

Di sicuro sappiamo che i fulmini sono una scarica elettrostatica, come la scossa che prendiamo toccando la portiera dell’auto quando scendiamo. In pratica, sfregando sui sedili raccogliamo elettroni, che vorrebbero scaricarsi a terra, ma non riescono perché l’aria (che è un ottimo isolante) gli sta tra i piedi.

Se siamo abbastanza vicini alla portiera, la tensione tra il dito—dove si stanno accumulando elettroni—e il metallo diventa così tanta che strappa letteralmente degli elettroni dagli atomi di aria (un processo pomposamente chiamato ionizzazione). Questi elettroni liberi di andarsene in giro nell’aria ionizzata la rendono un plasma (sì, lo stesso dei televisori), che non è affatto isolante.

Piccole porzioni di aria ionizzata, poi, ionizzano a loro volta altre lì vicino, in un effetto domino che sviluppa rapidamente uno stretto canale verso la portiera.

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Un canale di aria ionizzata si allunga dalla nuvola a terra, fino ad incontrare quello che arriva dall’edificio. CC BY-SA 3.0 Anynobody via Commons

Da lì, intanto, parte lentamente un altro canale, attirato da tutta la carica del nostro dito.

Ad un certo punto, i due si incontrano, come i due lati di un tunnel in costruzione. Così parte la scossa vera e propria: gli elettroni che avevamo accumulato hanno finalmente un passaggio verso terra e ci si buttano dentro.

Un fulmine funziona allo stesso modo, solo che deve attraversare chilometri d’aria, non pochi millimetri. Quindi tra la nuvola e il terreno si sviluppa un sacco di tensione e la corrente all’interno del fulmine è così devastante che il canale al plasma diventa incandescente e si illumina.

Primulas and graupel

Il graupel è una specie di sottile grandine, CC-BY Peter Stevens, via Flickr.

E qui arrivano i problemi, perché non sappiamo da dove arrivi tutta quella tensione. Una spiegazione ha a che fare con tipo di ghiaccio—detto neve tonda o graupel, una via di mezzo fra neve e grandine—e la sua fichissima capacità di caricarsi elettricamente quando si raffredda.

Semplificando un po’, questo materiale si scontra con cristalli di ghiaccio all’interno delle nuvole, si raffredda e si carica. Poi, essendo relativamente pesante, si accumula sul fondo della nuvola, generando una tensione con il suolo. Solo che non sappiamo se basti a far scoccare un fulmine.

Insomma, anche piccole palline di ghiaccio possono avere conseguenze enormi. E rendere un pochino epico anche quel fastidiosissimo momento quando scendiamo dall’auto.

 

Foto copertina: Thor, CC-BY-NC sharkhats, via Flickr. Some rights reserved.

Uno spezzatino di (quasi-)particelle

Ogni elettrone ha uno spin, una specie di bussola interna, che (semplificando un sacco) punta “su” o “giù”. Sparando dei neutroni contro un materiale e vedendo come rimbalzano, si può capire come interagiscono con lo spin degli elettroni e, quindi, come sono orientati gli spin.

In un esperimento con un particolare materiale (il cloruro di rutenio) sembra che gli spin puntino disordinatamente un po’ ovunque.

Un’interpretazione artistica del liquido di spin. In questo stato, gli elettroni sono orientati in modo disordinato, come le molecole di acqua in un bicchiere. Credit: Francis Pratt / ISIS / STFC

Questo nuovo stato, detto liquido di spin, appare se gli elettroni si “spezzano” in particelle: i fermioni di Majorana.

C’è solo un piccolo problema: gli elettroni non possono spaccarsi in parti perché sono un blocco unico. Come fanno allora i fermioni di Majorana ad esistere?

Strettamente parlando, non esistono. Gli elettroni non si spezzano davvero, però si comportano come se lo facessero. Perciò i fermioni di Majorana sono chiamati “quasi-particelle”: entità utili da includere nei modelli, ma impossibili da trovare in natura.

I fermioni di Majorana non erano mai stati osservati prima, ma hanno importanti applicazioni per i superconduttori e i computer quantistici.

 

Foto copertina: CC0 ikinitip, via pixabay.

La teoria non serve

“Bravi, ma cosa me ne faccio?” Questa domanda assedia noi teorici (e magari ve la siete fatta anche voi ogni tanto leggendo qui), ed è rispuntata con le onde gravitazionali. Ma non siamo affatto bravi a rispondere.

La ricerca applicata serve: i transistor fanno funzionare il mio telefonino, con gli antibiotici non muoio di raffreddore, pastorizzando il latte si conserva più a lungo. Ma le onde gravitazionali? Perché spendere miliardi e impiegare migliaia di persone per trovarle?

Per gli idealisti, la ricerca di base amplia innalzando l’intelletto umano. Un nobile proposito che basta a motivare molti scienziati. Che poi pensano debba bastare anche agli altri.

Ma la risposta è che quel lavoro, ora, nella pratica, non serve. Ma poi servirà.

Quando J.J. Thomson ha scoperto l’elettrone a fine Ottocento non avrebbe neanche potuto sognare quello che ci abbiamo fatto (per citare The West Wing). Ma grazie alla sua scoperta abbiamo capito come fare transistor, laptop, cellulari, internet e tutta l’elettronica, aprendo la strada a nuova scienza. Comprese le onde gravitazionali. E medicinali migliori. E lo sbarco sulla Luna. Senza, staremmo ancora qua coi calcolatori meccanici e il loro fascino retro (ma senza internet).

Con la teoria capiamo l’universo. Se non sappiamo cosa abbiamo davanti, non potremo mai sfruttarlo nelle applicazioni. Matt O’Dowd, su PBS Space Time, ha dato una gran risposta ad un commentatore secondo cui le onde gravitazionali sono inutili se non risolvono problemi pratici, tipo il prezzo della benzina:

Apprezzerò l’inutile bellezza di questa scoperta anche dopo che mi avrà permesso di guidare la mia astronave antigravitazionale a inflatoni verso le stelle. A quel punto non mi preoccuperà il prezzo della benzina.

Micdrop.

Aggiornamento: Anche il comitato del Nobel pensa che le scoperte teoriche servono. Il premio per la fisica 2016, infatti, è andato a David Thouless, Duncan Haldane, e Michael Kosterlitz “semplicemente” perché le loro scoperte stanno ispirando moltissime ricerche su nuovi materiali e computer quantistici.

Foto copertina: Blackboard Lie Algebras, CC-BY-NC ☃, via Flickr. Some rights reserved.

Come fanno le cose ad essere opache

Gli atomi, per la maggior parte, sono vuoti: lo spazio tra il nucleo e gli elettroni è enorme. Ma allora perché non è tutto trasparente? Spoiler: è perché le dimensioni contano.

Il fatto è che, anche se dentro sono molto vuoti, gli atomi sono molto molto piccoli, molto più della lunghezza d’onda della luce visibile. Per un’onda come la luce, distinguere dettagli più piccoli della propria lunghezza d’onda è impossibile. Sarebbe un po’ usare dita troppo grosse per digitare su tasti troppo piccoli, o leggere il Braille indossando guanti da forno.

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Credit: Inductiveload, via Wikipedia. Pubblico dominio.

In pratica, per la luce visibile, un atomo è una pallina compatta. Ma allora perché non è tutto opaco? Come fanno le finestre ad essere trasparenti, ma i muri no?*

I fotoni che compongono la luce hanno, ciascuno, una precisa quantità di energia, che possono cedere ad un elettrone quando lo incontrano. Il fatto è che i fotoni non possono cedere solo un po’ di energia, devono dar via tutto il pacchetto. C’è questo bel video che lo spiega molto bene.

Gli elettroni attorno agli atomi sono anche obbligati ad avere particolari e molto specifici livelli energetici. Questo li rende estremamente schizzinosi. perché permette loro di accettare solo i fotoni che portano quel pacchetto con l’esatta energia che serve per il prossimo salto. Né meno, né più. Se l’elettrone accetta il pacchetto, il fotone sparisce (viene assorbito). Se, invece, l’elettrone si rifiuta, la luce rimbalza contro l’atomo e se ne va.

L’energia che portano i fotoni dipende dalla loro lunghezza d’onda: più corta è l’onda, più ha energia. Sicché, la disposizione livelli energetici degli elettroni di un atomo (o di una molecola di più atomi) determina per quale luce è trasparente.

Nel vetro di una finestra, ad esempio, gli elettroni hanno un grosso scalino energetico da scalare, e non si accontentano di fotoni di luce visibile, ma assorbono molta luce ultravioletta, che ha più spinta. Perciò il vetro è trasparente. Gli elettroni del muro intorno alla finestra, invece, sono ben contenti di prendersi anche la luce visibile e non possiamo vedergli attraverso.

Come la bellezza, la trasparenza del mondo è nell’occhio di chi guarda. O almeno nella luce che vede.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Galena Window with Horse, CC-BY-NC-ND Terence Faircloth, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Originariamente, questo post diceva che era la struttura in cui sono disposte le molecole di materiale a determinare la sua trasparenza. Sebbene la struttura abbia una piccola parte, non è il motivo principale.