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Marzo 1880: I fratelli Curie scoprono l'effetto piezoelettrico

Cosa hanno in comune microfoni, orologi al quarzo, e stampanti inkjet? Il loro funzionamento si basa per tutti su un fenomeno insolito conosciuto con il nome di effetto piezoelettrico. L'effetto è riscontrabile in vari cristalli, ceramiche, e anche per le ossa. E' stato scoperto dal fisico francese Pierre Curie che, lavorando con il fratello maggiore Jacques, ha riscontrato che esercitando pressione su questi materiali veniva creata una differenza di potenziale e quindi elettricità (il nome deriva dal greco piezein - "premere").
Nato a Parigi nel 1859 da un medico di nome Eugene Curie, per la sua educazione il padre optò per insegnanti privati. Pierre mostrò un'attitudine precoce per la matematica, e a 16 anni entrò alla Sorbona per i suoi studi universitari. Ottenne l'equivalente della laurea diciottenne, ma fu costretto a rimandare i suoi studi di dottorato. Durante questo periodo, si guadagnò da vivere come istruttore di laboratorio.


Pierre iniziò a condurre esperimenti di chimica, all'età di 20 anni con suo fratello Jacques, concentrandosi sulla struttura dei cristalli. Si interessarono particolarmente all'effetto piroelettrico, grazie al quale un cambiamento di temperatura in un materiale cristallino genera un potenziale elettrico. Questo effetto era noto fin dalla metà del 18° secolo, grazie al lavoro di Carl Linnaeus e Franz Aepinus, e da allora gli scienziati avevano teorizzato circa la possibilità di una relazione tra le sollecitazioni meccaniche e il potenziale elettrico. Ma la conferma sperimentale non era mai stata trovata.
I fratelli Curie pensarono che l'effetto piezoelettrico poteva essere riscontrato in materiali con alcune asimmetrie del cristallo. Armati con materiale di fortuna - carta stagnola, colla, filo, magneti, e un semplice seghetto da gioielliere testarono vari tipi di cristalli, tra cui quarzo, topazio, zucchero di canna, sale di Rochelle, e tormalina. I Curie scoprirono che effettivamente comprimendo tali materiali, la sollecitazione meccanica genera una differenza di potenziale elettrico. L'effetto piezoelettrico maggiore fu riscontrato nel quarzo e nel sale di Rochelle. I fratelli misero a frutto la loro scoperta  inventando l'elettrometro a quarzo piezoelettrico.
L'anno successivo, il matematico Gabriel Lippman dimostrò che esiste anche un effetto piezoelettrico inverso, per cui l'applicazione di un campo elettrico ad un cristallo causa la deformazione meccanica del materiale in risposta. I fratelli Curie confermarono con ulteriori esperimenti che la piezoelettricità effettivamente poteva lavorare anche nella direzione opposta.
Quando l'eccitazione iniziale per la scoperta si spense, la ricerca piezoelettrico rimase in secondo piano per circa 30 anni anche perché la teoria per provare a spiegarlo era matematicamente complessa. Ma erano comunque stati fatti alcuni progressi. Nel 1910, Woldemar Voigt pubblicò il trattato definitivo in materia, "Lehrbuch der Kristallphysik", un tomo voluminoso che descrive le oltre 20 classi di cristallo naturale con proprietà piezoelettriche. Ancora più importante, definì rigorosamente i 18 possibili coefficienti piezoelettrici macroscopici nei solidi di cristallo.
Questo pose le basi per il successivo sviluppo di applicazioni pratiche per tali materiali, a cominciare dal sonar nel 1917, quando Paul Langevin sviluppò un trasduttore ad ultrasuoni per sottomarini utilizzando sottili cristalli di quarzo. In base allo stesso principio molte automobili hanno oggi trasduttori a ultrasuoni per calcolare la distanza tra il paraurti posteriore ed eventuali ostacoli.
Pierre passò a indagare il magnetismo, scoprendo un effetto intrigante della temperatura sul paramagnetismo oggi noto come legge di Curie. Un'altra sua scoperta fu il punto di Curie: la temperatura critica in cui i materiali ferromagnetici cessano di essere tali. Ha anche flirtato con lo spiritualismo paranormale quando il 19° secolo volgeva ormai al termine, frequentando sedute spiritiche con la famosa medium Eusapia Palladino, le avvicinò come un esperimento scientifico, con note dettagliate, nella speranza che tale studio aiutasse a far luce sul magnetismo. "Devo ammettere che quei fenomeni spirituali mi interessano molto", scrisse alla sua fidanzata, Marie Sklodowska, nel 1894. "Penso che abbiano a che fare con questioni irrisolte di fisica."
Pierre sposò Marie l'anno seguente, quando completò anche il suo dottorato di ricerca, utilizzando il suo lavoro sul magnetismo come una tesi di dottorato. Divenne professore di fisica e chimica a Parigi nel 1895. (Jacques fu nominato professore di Mineralogia all'Università di Montpellier.) Sua moglie sostituì suo fratello come suo partner scientifico. I due scoprirono il radio (e più tardi, il polonio), condividendo il premio Nobel per la Fisica 1903 con Henri Becquerel. L'elettrometro al quarzo piezoelettrico inventato da Pierre e Jacques tanti anni prima si rivelò uno strumento essenziale per il loro lavoro.
Verso la fine della sua vita, Pierre mostrò i primi segni di eccessiva esposizione a radio. In realtà, i suoi vestiti erano spesso talmente radioattivi che doveva rimandare gli esperimenti per diverse ore, perché interferivano con i suoi strumenti. L'unità di radioattività è chiamato curie in onore suo e di sua moglie Marie. Il destino gli risparmiò la morte per gli effetti delle radiazioni morì investito da un carro in Place Dauphine mentre stava attraversando la strada trafficata.
Non sempre Pierre ottenne il rispetto e il sostegno che meritava dai suoi colleghi scienziati forse perché preferì non impegnarsi nella politica accademica, preferendo concentrarsi sulla sua ricerca. Fu respinto per una cattedra in mineralogia e gli fu negata l'appartenenza alla Accademia di Francia nel 1903, nello stesso anno vinse il Premio Nobel. I suoi primi lavori sulla piezoelettricità non furono, forse, la scoperta più significativa della sua illustre carriera, ma, come ha osservato in una lettera 1894 Marie: "[Nella scienza] si può aspirare a realizzare qualcosa .... ogni scoperta, per quanto piccola, è un guadagno permanente. "