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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Le superfici auto-pulenti

Per secoli abbiamo avuto sotto il naso (almeno quelli di noi che hanno foglie di loto attorno) il segreto per superfici perpetuamente antimacchia. Ma grazie alla fisica stiamo scoprendo come non pulire mai più, non importa cosa rovesciamo.

La chiave di tutto è come fa l’acqua ad attaccarsi, insomma, come fa la roba a bagnarsi.

Le molecole d’acqua sono fatte di idrogeno ed ossigeno. L’ossigeno ama gli elettroni e costringe i piccoli idrogeni che ha attorno a passarglieli. In questo modo la molecola acquista una piccola carica elettrica negativa da un lato ed una positiva dall’altro.

La densità media degli elettroni in una molecola d’acqua. L’ossigeno ci tiene ai suoi ed è avido di quelli degli altri, perciò tende ad avere più carica attorno. credit: Lawrence Livermore Laboratory

Avvicinandosi ad una superficie dal lato dell’ossigeno, la molecola d’acqua spinge un pochino via gli elettroni del materiale della superficie (e l’opposto avviene se si avvicina dal lato dell’idrogeno). La superficie prende temporaneamente una piccolissima carica opposta, che attrae immediatamente l’acqua. Insomma, la roba si bagna per via dell’elettricità.

CC-BY-NC-ND Thomas, via Flickr.

Ma le molecole d’acqua stanno attaccate anche tra loro. Se questa forza è più forte di quella che le attacca alla superficie, si appallottolano in una gocciolina e rotolano via. I materiali che creano questo fenomeno si chiamano idrofobici, che significa “ che temono l'acqua“… anche se sarebbe più corretto dire che è l’acqua a temerli!

Rivestimenti speciali, come quelli delle padelle antiaderenti possono rendere una superficie idrofobica. Ma c’è una via migliore— quella della fisica

Prendete una foglia di loto: è coperta di gobbette e creste, piccole fino a pochi atomi. Le gocce d’acqua non hanno abbastanza contatto da potersi attaccare bene, perché toccano solo la cima di poche gobbette. Semplificando un po’, questo fa sì che la coesione all’interno della goccia “vinca”, tenendola appallottolata. Rotolando via, poi, raccatta tutto lo sporco che trova.

Uno schemino di come una goccia d’acqua sta sulla microstruttura di una foglia di loto.

Studiando queste foglie, gli scienziati hanno scoperto il trucco e l’hanno usato per creare materiali con gobbette e creste simili. Con questi materiali che non si bagnano e non si sporcano mai si possono fabbricare strumenti chirurgici che non si sporcano di sangue o gabinetti che non serve pulire, risparmiando acqua in posti dov’è scarsa.

Per saperne di più
  • Questo post è parte di una serie in corso sulle forze molecolari e come si bagnano le cose. Trovate gli altri episodi qui
  • In realtà, anche la forma delle gocce d’acqua è importante: le foglie di loto, col vapore, si bagnano tantissimo
  • Leggendo in giro ho trovato questo coltello idrofobico che taglia l’acqua. Che figata è?!

 

Foto copertina: CC0 yang pin/pixabay

Il drago assetato e altre magie della capillarità

Il magnifico drago spinoso. Credit: wikimedia

C’era una volta un drago che viveva nel deserto ed amava mangiare formiche. Ne era così ghiotto che per loro rinunciò all’abilità di bere, rendendo la propria bocca ottima per mangiare ma incapace di prendere sorsi.

Al suo posto aveva imparato qualcosa di meglio: come strappare acqua dalla sabbia stessa evocando una forza più potente della gravità.

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Perché i razzi sono dipinti a quel modo?

Qualche mese fa, durante una pausa ad una conferenza, ho incontrato un’interessantissima giovane ingegnere*. Mi ha raccontato che lavorava per SpaceX (quelli di Elon Musk, coi razzi riutilizzabili), e in particolare nel team che si occupa di verniciare i razzi. Non abbiamo parlato a lungo, per cui mi è rimasta un po’ la curiosità: veramente serve un team di ingegneri per verniciare un razzo?

A quanto pare, è sempre servito.

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Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

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E se il Nobel non lo vincessero le onde gravitazionali?

Le previsioni per il premio Nobel per la fisica puntano ad una delle più grandi notizie dell’anno: le onde gravitazionali. Mi sbilancerò, ma io non sono convinto che abbiano ragione.

Non fraintendetemi: anche io sono un fan sfegatato di LIGO e del loro lavoro (magari si capiva da quanto spesso ne ho parlato). La scoperta delle onde gravitazionali è stata pazzesca, ma lo era anche quella del bosone di Higgs. LIGO è un’incredibile impresa di ingegneria e scienza, ma lo è anche LHC. Ci aspettavamo di trovare le onde gravitazionali quanto, se non più, del bosone. Eppure, il premio per la scoperta andò a Higgs e Englert, autori della teoria, non agli esperimenti del CERN che l’avevano trovato. Nel caso delle onde gravitazionali, il premio dovrebbe quindi andare ad Einstein, che non può riceverlo perché… beh… è morto.

Resto convinto che LIGO vincerà prima o poi: hanno aperto una nuova finestra sull’universo. Appena vedremo qualcosa di nuovo attraverso quella finestra, credo, il loro lavoro salterà in cima alla lista. Solo, non ancora.

Ma chi altri può vincere quindi, se non loro? Thomson Reuters ha un efficace sistema di previsioni basato su quanto vengono citati articoli recenti (trovate l’infografica qui, e vedete che han già cannato quello per la medicina). A parte il team di LIGO, suggeriscono Marvin L. Cohen, che ha studiato i semiconduttori, e Celso Grebogi, Edward Ott e James A. Yorke, che si sono occupati di Teoria del Caos. Se vincono, andremo nei dettagli delle loro scoperte nel post di venerdy.

Personalmente, come avevo detto a inizio anno, punto agli esopianeti.Comunque, sono tutte speculazioni. Dopotutto, chi vince il Nobel fa scienza, chi prova a fare queste previsioni no.

 

Immagine di copertina: CC0 nvodicka, via pixabay.com

Tre curiosità estive (e mezza)

Perché non ci si abbronza dietro al vetro

pixabay.com

Dal sole ci arriva luce di ogni colore, anche quelli che non esistono. Prendiamo i raggi ultravioletti (o UV) che, come suggerisce sottilmente il nome, hanno una lunghezza d’onda più corta del viola. Questa luce è più viola del viola, che però è l’ultimo colore che siamo in grado di vedere: niente colori UV per noi.

I raggi UV possono danneggiare cellule, che si proteggono producendo melanina per proteggersi. Più melanina si ha, più la pelle è scura. Chi non ne produce tanta di suo può stimolarla mettendosi al sole, abbronzandosi.

Il vetro l’abbiamo inventato e perfezionato per vederci attraverso: ci interessava la luce visibile. Ma il fatto di essere trasparente cambia a seconda della lunghezza d’onda della luce. E infatti la luce UV non attraversa bene il vetro.

Meno luce UV vuol dire che la nostra pelle si preoccupa meno, e quindi non si abbronza.



Raffreddamento estremo coi laser

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Quando pensiamo ai laser, probabilmente pensiamo a laboratori, scintille, fumo, pistole laser, spade laser… Il freddo, insomma, non è in cima alla lista. Ma per raffreddare davvero qualcosa (e intendo vicino allo zero assoluto), il laser è uno dei modi migliori.

Se si va a vedere nel profondo della fisica, la temperatura esprime quanto veloce si stanno muovendo le cose. Ad esempio, l’aria in una stanza è fatta di tante molecole che si muovono di continuo, qualcuna più veloce, qualcuna meno. Più alta è la temperatura dell’aria, più alta è la media di queste velocità. Viceversa, meno si agitano le molecole, più bassa è la sua temperatura.

vescent.com

Solitamente raffreddiamo le cose mettendole a contatto con qualcosa di più freddo, e il rallentamento delle particelle arriva (in un certo senso) di conseguenza. Ma coi laser è diverso.

Semplificando molto, ci sono tre coppie di laser che si incontrano in un punto, dove abbiamo messo gli atomi da raffreddare. Perciò, se un atomo si muove in una certa direzione, va per forza incontro ad almeno un fascio laser, che è stato preparato in modo da cedergli un pochino di energia, spingendolo indietro.

Così ogni atomo è obbligato a stare praticamente fermo, e il gruppo di atomi si raffredda.

 

Perché il ventilatore fa fresco

CC-BY-SA haru__q/flickr.com.

 

Per lo stesso motivo per cui soffiare sul brodo lo raffredda. Ma andiamo in ordine.

Quando fa caldo sudiamo.

Le molecole di acqua nel sudore si agitano—qualcuna più veloce, qualcuna meno—e si scontrano tra loro di continuo. Quanto veloci vanno, come abbiamo visto, c’entra con la loro temperatura.

Deboli forze tra una molecola e l’altra le tengono vicine, e così l’acqua resta liquida. Ogni tanto, però, una molecola molto veloce può riuscire a sfuggire a queste forze, evaporando. La velocità media delle molecole rimaste indietro si abbassa, e così anche la loro temperatura.

Le molecole evaporate, tuttavia, non vanno molto lontano, così possono essere “catturate” dal liquido, rientrando nel gruppo. La superficie di ogni microscopica gocciolina di sudore, quindi, è un continuo andirivieni.

Il ventilatore soffia via le molecole evaporate, che così non possono essere ricatturate, sbilanciando il delicato equilibrio della superficie. In questo modo, sempre più molecole lasciano definitivamente le gocce di sudore, si portano via del calore e raffreddano la nostra pelle. Che è anche il motivo per cui il brodo si raffredda soffiandoci su.

… e perché l’afa peggiora il caldo

L’idea è la stessa del ventilatore, ma al contrario.

Più l’aria è umida, più acqua contiene. Perciò è anche più probabile che molecole d’acqua vengano catturate dalle gocce di sudore. L’equilibrio della superficie si sposta nell’altra direzione, il sudore evapora lentamente e il caldo ci resta addosso più a lungo.

 

Per saperne di più
  • Un sito di fotografia spiega quello che ci perdiamo a non vedere gli UV
  • Una simulazione interattiva per capire meglio la faccenda movimento-temperatura
  • La spiegazione più precisa del raffreddamento laser sul sito dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Il grande Richard Feynman spiega più in dettaglio la storia del brodo e dell’evaporazione
  • Due cose in più su Sole, abbronzatura e scottature
Amorefisico va in vacanza! Ci risentiamo il 9 settembre
Buone vacanze!

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

Il felice incidente che apre la strada per incredibili batterie del futuro

Chi non vorrebbe un telefono sottile, che rimane carico per giorni e mantiene la durata della batteria per anni? Ma le batterie grosse e che non durano nel tempo zavorrano molte tecnologie, al di là dell’elettronica quotidiana, dalle auto elettriche alle centrali fotovoltaiche ed eoliche.

La nanotecnologia ha mostrato sprazzi di una soluzione: le batterie a nanofili, tuttavia ci sono ancora grossi ostacoli da superare. Anzitutto, questi apparecchi futuristici sono ancora molto fragili e inaffidabili. Ma, grazie al lavoro di Mya Le Thai—dottoranda nel laboratorio del Prof Reginald Penner all’Università della California-Irvine—ora abbiamo un metodo promettente per farle durare virtualmente una vita.

Il nocciolo del funzionamento di una batteria è usare reazioni chimiche per trasferire elettricità tra pezzi di materiale conduttore (gli elettrodi) e una soluzione elettrolitica (essenzialmente, un liquido in cui sono disciolti dei sali). Al posto degli elettrodi, le batterie ai nanofili usano migliaia di fili conduttori, ognuno più sottile del filo di una ragnatela. Perciò le reazioni chimiche hanno un sacco di posto a disposizione, anche in piccole batterie. “Il vantaggio principale dei nanofili per lo stoccaggio dell’energia è l’incredibile rapporto superficie:volume, che permette di ottenere un’altissima potenza (ovvero corrente)”, spiega Penner.

Ma, aggiunge, questa potenza ha un costo: “Questa enorme superficie amplifica anche l’effetto di tutti quei processi chimici che erodono la superficie dei fili”. Infatti le reazioni chimiche che danno energia alla batteria sono le stesse che ne consumano gli elettrodi. Così una batteria può passare tra essere scarica e carica solo un certo numero di volte (qualche centinaio di solito) prima di perdere capacità. Che è poi il motivo per cui, ad esempio, i cellulari restano carichi sempre meno man mano che invecchiano.

Per i nanofili è anche peggio: non solo sono più soggetti alla corrosione, come diceva Penner, ma l’elettricità che gli passa attraverso li sforza molto più di quanto farebbe con massicci elettrodi. Perciò, dopo qualche migliaio di cicli di carica-scarica, i fili sono consumati e corrosi e si spaccano. Quando succede, la batteria è completamente inutilizzabile.

Thai stava lavorando su nanofili d’oro rivestiti di ossido per fare dei condensatori, aggeggi in un certo modo simili a batterie con due poli positivi, che immagazzinano carica elettrica senza usare reazioni chimiche. Perciò possono essere caricati e scaricati molto rapidamente. Con sua (e di tutti) sorpresa, gli apparecchi con cui lavorava Thai duravano centinaia di volte più a lungo del normale. Racconta Penner: “Eravamo entrambi esterrefatti quando ha iniziato a provarli e la capacità non è diminuita dopo 10mila cicli, poi 20mila, e infine (settimane dopo) 100mila cicli. A quel punto abbiamo smesso, sebbene i condensatori non avessero mostrato nessuna perdita di carica. Magari l’avessimo programmato!”

I ricercatori hanno riportato la loro scoperta in un articolo pubblicato su ACS Energy Letters. La chiave sembra fosse usare un gel invece di liquido per la soluzione elettrolitica, ma loro stessi ammettono di non avere le idee molto chiare sul perché. Secondo loro, il gel ridurrebbe lo stress meccanico sui fili e, allo stesso tempo, preverrebbe la corrosione: “Pensiamo faccia entrambe le cose”, dice Penner, “il gel ammorbidisce o plastifica il rivestimento, prevenendo le rotture, ma sembra anche rallentare la corrosione in un modo che non abbiamo ancora ben capito”.

Secono Penner, servirà ancora molto lavoro per valutare la fattibilità di batterie basate sui nanofili. Soprattutto, non è ancora chiaro come collegare la miriade di microscopici fili ai due poli della batteria. E usare fili rivestiti, come hanno fatto loro, va bene in laboratorio ma non sarebbe fattibile a livello industriale.

Ciononostante, lo studio mostra che i nanofili possono davvero essere la strada per incredibili batterie leggere e durevoli!

 

(c) The Munich Eye, all rights reserved.

Foto copertina: Steve Zylius/UCI

Quante volte si può piegare un foglio di carta?

Qualche giorno fa mi sono imbattuto in un divertente articolo. Spinto dalla curiosità, sono finito a scoprire l’origine di una leggenda metropolitana e perfino ad esplorare il significato di essere un fisico.

L’articolo parlava di una leggenda metropolitana (è impossibile piegare un foglio più di 7 volte) e di un simpatico signore finlandese che ha fatto questo popolare video su YouTube in cui l’ha messa alla prova.

Alla settima piega, la carta collassa spettacolarmente, perché cede allo sforzo meccanico. Finché si fa una piega sola, infatti, sembra di ottenere un nuovo foglio grande metà e spesso il doppio di prima. Ma è chiaramente solo un’approssimazione: ogni piega in realtà è un arco, e la carta deve fare il giro tutto attorno agli strati in mezzo.

Il numero di strati aumenta esponenzialmente ad ogni piega. Prima sono 2, poi 4, 8, 16 e così via, alla settima piega, la carta più esterna deve aggirare più di 120 strati. A quel punto lo sforzo sulla carta è insostenibile, e la fa collassare.

Fogli più grandi danno più spazio alla piega, sforzandola meno, evitando il problema. Anni fa quelli di MythBusters hanno preso un foglio di 5000mq e sono arrivati a 11 pieghe.

Il record è di una ragazza che è arrivata a 12 con un foglio enorme e sottilissimo. Personalmente, però, non ero soddisfatto della risposta: i fogli giganti non valgono!

In fisica, però, si possono ignorare alcune regole, come la resistenza meccanica del foglio, per rispondere a domande più grandi. Tipo: quante volte potrei piegare un foglio A4 indistruttibile, se potessi fare sempre pieghe perfette come la prima?

Facendo due conti veloci ho trovato che, piegando sempre lungo il margine più lungo a disposizione, potrei farne al massimo… 7 (ecco da dove viene!). A quel punto avrei per le mani una specie di cubetto di carta di pochi centimetri, che non cambia più piegandolo a quel modo.

Il massimo che ho trovato, però, è 22. Per averlo bisogna piegare sempre lungo due direzioni, tipo la lunghezza e larghezza iniziali, fino ad arrivare ad un oggetto largo quanto lo spessore iniziale del foglio (e spesso qualche centinaio di metri).

Posso piegare ancora un lato così piccolo? Se sì, che fare quando prende le dimensioni di un atomo? o di un protone? L’idea stessa di “piega” perde senso.

La questione, allora, diventa quali regole sia ragionevole ignorare.

Questa è l’arte di fare fisica: decidere di volta in volta quali regole siano importanti e quali invece si possano ignorare. Trovare le approssimazioni ragionevoli per rispondere ad una domanda, almeno sulla carta.

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

PS: Per chi vuole darci un’occhiata, ho caricato un supplemento con un paio di dettagli in più sui conti.