Home Ambasciatori della Festa di Scienza e Filosofia La mille falce della superconduttività

La mille falce della superconduttività

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I superconduttori sono particolari materiali che, se raffreddati fino a temperature molto basse, e comunque al di sotto di una temperatura Tc, detta temperatura critica (prossima allo zero assoluto, 0 K = −273 °C), vedono bruscamente annullarsi la loro resistività elettrica.
Si comportano come superconduttori circa 30 elementi e molte loro leghe e composti, tale fenomeno fu scoperto nel 1911 dal fisico tedesco Heike Kamerlingh Onnes, osservando che la resistività del mercurio, a circa 4 K, si annullava completamente e bruscamente, anziché assestarsi su valori minimi.
Le difficoltà pratiche di raggiungere temperature così basse rese però il fenomeno della superconduttività a lungo una pura curiosità accademica priva di riscontri concreti.
La temperatura critica più alta mai raggiunta si aggirava infatti ancora solamente intorno ai 23 K per una lega di niobio.
La superconduttività iniziò a destare interessi anche pratici a partire dal 1986, quando i fisici J.G. Bednorz e K.A. Muller scoprirono che certi materiali a base di ossidi di rame, lantanidi e metalli alcalino-terrosi divenivano superconduttori a temperature di gran lunga superiori a quelle note fino ad allora.
La principale applicazione di un superconduttore risiede nel fatto che esso non dissipa calore per effetto Joule, avendo resistività praticamente nulla. Con un cavo superconduttore è possibile quindi trasportare corrente anche a grandi distanze senza disperdere energia, anche se resta tuttora il problema del raffreddamento del conduttore. Un’altra applicazione interessante è la realizzazione di magneti superconduttori capaci di generare campi magnetici molto intensi, come quelli richiesti per esempio dalla risonanza magnetica.
Più in concreto anche vari aspetti della nostra vita quotidiana risentono del processo di conduzione, si pensi ad esempio alla trasmissione del calore in tutte le tecniche di cottura per conduzione
Il calore viene trasmesso per conduzione quando due corpi solidi a temperatura diversa vengono a contatto: il corpo caldo cede energia sottoforma di calore a quello freddo la cui temperatura aumenta.
La cottura in padella in assenza di liquidi è un classico esempio di cottura per conduzione: la superficie rovente della padella trasmette il calore al cibo che viene a contatto con essa.
Un esempio ancor più calzante è quello del fry-top, la piastra di cottura in ferro, acciaio o vetroceramica che utilizzano molti fast food sulla quale si cuociono piadine, verdure, carni, pesci.
Nella cottura per conduzione è importante conoscere la conducibilità termicadei materiali di cottura e dei cibi: un cattivo conduttore di calore si scalderà e raffredderà più in lentamente di un buon conduttore di calore.
Il rame ha una grandissima conducibilità ed è adatto per saltare in padella cibi che hanno bisogno di alte temperature, ma per breve tempo; l’acciaio piuttosto bassa ed è adatto per cotture lunghe, come il vetro e la terracotta che hanno una conducibilità bassissima.
Un altro esempio ne è ciò che accade quando si percorre una discesa con gli sci: lo sciatore, l’equipaggiamento e l’ambiente circostante si combinano per formare un sistema aperto dove si prende energia dall’esterno, per mezzo della gravità e la dissipa in attrito e nel quale qualsiasi variazione di velocità o direzione provoca un nonequilibrio.
Con il termine nonequilibrio si intende il comportamento seguito dal moto di un pendolo che si compone di un’oscillazione e una rotazione.
Quando esso oscilla fino alla posizione verticale si troverà in una situazione di confine tra i due movimenti possibili per cui dosando opportunamente la forza applicata all’estremità possiamo mantenere stabile questa condizione.
Tuttavia questa zona di confine non è ben definita ma è un esempio del cosiddetto caos deterministico che matematicamente è rappresentato dal numero aureo 1,6180339887499 che esprime il rapporto aureo al confine tra ordine e caos nei sistemi in nonequilibrio.
È evidente come questo coinvolga l’intero corpo dello sciatore influenzandone la traiettoria in forma di archi aurei che gli consentono di percorrere curve particolarmente accentuate.
Per questo nella pratica sciistica diviene di fondamentale importanza l’impiego di materiali da costruzione sempre più performanti non solo per garantire la resistenza ma per conferire allo sciatore stabilità e controllo.
Durante il loro utilizzo gli sci vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche che ne alterano in parte la normale geometria e sollecitazioni di flessione e torsione che influiscono sul valore del raggio di curvatura statico.
Sci facilmente deformabili permettono di chiudere agevolmente l’arco di curva alle basse velocità, possiedono grande manovrabilità e smorzamento delle reazioni del terreno in caso di movimenti non corretti ma questo tipo di sci ha il suo limite nel perdere progressivamente stabilità e controllo all’aumentare della velocità e dei carichi.
Sci con maggiore rigidità sono necessari all’aumentare della velocità: in queste condizioni infatti la lamina tende a perdere la conduzione in curva e tende a scivolare sotto l’azione delle forze centrifughe, avviando una “derapata” fenomeno indesiderato..
Entrano così in gioco i materiali superconduttori, che assumono cioè una resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica al di sotto di una certa temperatura espellendo al contempo i campi magnetici presenti al loro interno.
Una rivoluzione in tale campo potrebbe essere rappresentata dall’uso del grafene, materiale costituito da uno strato bidimensionale di atomi di carbonio con notevoli proprietà di resistenza, flessibilità e conducibilità.
I ricercatori della University of Cambridge hanno infatti recentemente scoperto un modo per attivare una sua importante proprietà, ovvero la capacità di funzionare come un superconduttore a temperatura ambiente.