Uno scherzo geometrico venuto dallo spazio

Se pensate che gli astri non possano influire sulla vita sulla Terra, allora vi sbagliate di grosso! Già, perché basta un piccolo sassolino, proveniente da chissà quale posto sperduto nell'Universo, ad aprire delle inaspettate nuove prospettive per la scienza e la tecnologia dell'immediato futuro. Questo è proprio il caso dei quasicristalli, una nuova forma di materia scoperta, quasi per caso, un po' di anni fa, nel 1984, da uno scienziato israeliano che lavorava negli Stati Uniti.

Da lungo tempo è noto che le sostanze pure, indipendentemente se già presenti in Natura oppure create artificialmente in laboratorio, formano cristalli, ovvero dei solidi con una struttura ordinata ben precisa. Tale struttura è dovuta al fatto che la posizione che gli atomi occupano nei cristalli è quella dei vertici di un reticolo geometrico, che costituisce l'ossatura degli stessi cristalli: il reticolo è, praticamente, una replica di una struttura semplice (cella) che si ripete periodicamente. Come in un favo d'alveare, è allora possibile ottenere una struttura cristallina estesa semplicemente allineando questi “mattoni” l'uno di fianco all'altro. Ma, come potete forse immaginare, il gioco non funziona se allineate celle di forma geometrica qualsiasi, poiché potrebbero presentarsi dei “buchi” che non permettono di ricoprire tutto lo spazio a disposizione. Per avere una struttura cristallina, occorre che le celle abbiano una simmetria geometrica ben definita, e la struttura estesa che viene a formarsi ha essa stessa una simmetria geometrica ben definita.

 

 

     

 

Il problema, insomma, è puramente matematico, come quello di ricoprire un pavimento (se vi limitate, per semplicità, a due dimensioni) con delle mattonelle: se la loro forma non è quella “giusta”, il pavimento non lo ricoprite interamente. Per fortuna, però, i matematici hanno da tempo risolto questo tipo di problema, individuando tutte le simmetrie possibili (anche, in generale, in tre dimensioni). L'ingrediente fondamentale è il fatto che le mattonelle siano tutte uguali, ma il ricoprimento si può fare anche se, per esempio, avete due tipi di mattonelle diverse, ecc.  Cambiando la forma delle mattonelle, oppure allineandole in maniera diversa, o ancora usando opportunamente due mattonelle diverse, otterrete delle strutture geometriche estese con delle regolarità ben precise. Lo stesso avviene nei cristalli, la cui varietà esprime proprio le possibili combinazioni geometriche delle celle elementari. 

Nel 1984, però, fu scoperto un fatto straordinario. In una particolare lega di alluminio e manganese, la struttura cristallina mostrava una simmetria geometrica incompatibile con la periodicità di cui si diceva sopra, e quindi impossibile ad aversi in un cristallo: la forma della cella (tridimensionale) era quella di un icosaedro con 20 facce, risultando una struttura con una simmetria tipo pallone di calcio.

L'impossibilità nasce dal fatto che, non avendo una perfetta periodicità, non riuscite ad ottenere delle strutture che si ottengano dalla replica di celle elementari identiche, cosicché ogni atomo o agglomerato di atomi dovrebbe avere accanto a sé un raggruppamento di atomi diverso. Una cosa troppo complicata per esistere in Natura: ciascun atomo dovrebbe auto-organizzarsi e quindi “sapere” dove andare a posizionarsi per creare una struttura senza “buchi” o difetti.

 

 

Ma la Natura non è limitata, come invece i nostri ragionamenti!

In effetti, anche se la cosa pare non plausibile (e la scoperta del 1984 generò una forte discussione nella comunità scientifica), già qualche matematico aveva studiato (indipendentemente) il problema geometrico, e aveva trovato che strutture quasiperiodiche permettono – per esempio – il ricoprimento di un pavimento. Un esempio lo potete trovare nella figura qui sotto, dove vengono usate due “mattonelle” diverse: se siete attenti, potete notare che la struttura geometrica globale che viene a formarsi non è regolare (ossia periodica), ovvero non si ripete esattamente identica.

 

In tre dimensioni, si può fare lo stesso (anche se sembra meno evidente), come mostrato in quest'altra figura.

 

 

Tutto chiarito, allora? Il problema è che, anche se la matematica lo permette, i quasicristalli sembrano essere un nuovo stato della materia molto poco stabile e delicato, la cui formazione richiede delle condizioni fisiche molto artificiali che possono venire a crearsi solo nei laboratori. E, una volta creati, sarebbero instabili, per cui dopo un certo periodo di tempo, si tramuterebbero da soli in cristalli ordinari. In altre parole, la Natura lo permetterebbe, ma Lei non lo ha fatto.

In realtà, la sintesi in laboratorio di un centinaio di quasicristalli (fino ad ora), sembrerebbe far credere che la loro formazione non sia affatto un evento eccezionale, ma che i quasicristalli siano quasi sullo stesso piano dei cristalli usuali: in altre parole, potrebbero ben esistere quasicristalli “naturali” (ovvero non artificiali), solo che non siamo stati ancora così abili da trovarli.

Questo, però, è rimasto vero solo fino a qualche anno fa, quando la caccia – durata ben dodici anni – a qualche traccia di quasicristallo presente nei reperti dei musei mineralogici di tutto il mondo ha dato i suoi frutti. Infatti, nella parte scura della roccia che vedete qui sotto, conservata al Museo di Storia Naturale dell'Università di Firenze, si nascondono dei granuli di icosaedrite, un quasicristallo con simmetria di icosaedro composto da alluminio, rame e ferro sintetizzato in laboratorio già nel 1987. Tale scoperta – un quasicristallo “naturale” – conferma, quindi, la possibilità che la stessa Natura abbia provveduto a creare questa nuova forma di materia. Ma le sorprese non finiscono qui.

 

 

Il reperto del museo di Firenze, infatti, proveniva da una regione dell'estrema zona orientale della Russia, e una ulteriore ricerca anche “sul posto” ha rivelato un altro fatto sensazionale: il minerale (la stishovite) in cui erano inseriti i granuli di quasicristallo non è di origine terrestre, ma si trova solo in meteoriti e in zone dove è avvenuto qualche impatto meteoritico. In altre parole, l'icosaedrite deve essere stato creato in qualche regione remota dell'Universo (magari durante un evento cosmico provocato da una pressione e una temperatura estremamente elevata, a cui è seguito un rapido raffreddamento, in modo da poter spiegare l'inclusione totale del granulo di icosaedrite nella stishovite), e poi portata sulla Terra da un meteorite. Ma qui, la cosa più interessante della natura extraterrestre del quasicristallo scoperto è che la sua formazione deve risalire ai primi giorni di vita del nostro sistema solare, circa 4.5 miliardi di anni fa, ovvero esso è perfino più vecchio della Terra. Ciò vuol dire che esso non è affatto instabile, come si diceva sopra, se esiste da tanto tempo, per cui questa nuova forma di materia non è affatto un semplice scherzo della Natura, ma è sullo stesso piano delle altre forme di materia già conosciute. Si apre, allora, la possibilità di tante e nuovissime applicazioni in campo tecnologico, iniziando da quelle già iniziate ad esplorare, come rivestimenti durevoli per padelle, lame chirurgiche, isolamento termico per motori, ecc.

Un futuro tutto da scoprire, insomma. E pensare che c'è ancora chi non crede all'influenza degli astri sulla nostra vita...!

S. Esposito, fisico