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Un fratello tecnologico del quarzo Un fratello tecnologico del quarzo Come nascono materiali inesistenti in natura GLI alchimisti dei secoli passati cercavano di trasformare i metalli vili in oro; era un progetto ambizioso, destinato a fallire. I chimici e i fisici moderni cercano invece di creare sostanze nuove, qualcosa che la natura da sola non riesce a produrre. Solo che ora non si parla più di alchimia ma di ricerca sui «materiali nuovi». Si fa questo tipo di ricerca per ottenere cristalli, leghe metalliche o composti organici che abbiano proprietà fisico-chimiche insolite o semplicemente migliori di quelle possedute dai materiali naturali. Un materiale nuovo con proprietà interessanti è l'ortofosfato di gallio GaPO ; non si trova in natura, e per farlo crescere bisogna partire da acido fosforico H3PO e idrossido di gallio GaO(OH) o da gallio metallico Ga e acido fosforico in ambiente di acido nitrico HNO,. Si è detto che questo materiale è il «fratello tecnologico» del quarzo Si02; cristallograficamente gli è infatti molto simile: anch'esso cristallizza nel sistema trigonale, classe trapezoedrica (32), con la stessa struttura destrorsa o sinistrorsa del quarzo, sostituendo gli atomi di silicio alternativamente con gallio e fosforo; però, mentre nel quarzo esiste una transizione a 573°C per cui dall'alfa-Si02, trigonale, si passa al beta-SiO,, esagonale, con proprietà fisiche un po' diverse, il GaPO non si modifica fino ai 930°C. Inoltre le sue proprietà fisiche e chimiche sono generalmente migliori di quelle del quarzo: oltre all'alta stabilità termica, resiste bene alle radiazioni, presenta un'elevata resistenza elettrica fino alle alte temperature e soprattutto ha un effetto piezoelettrico doppio rispetto al quarzo. Si dicono piezoelettrici i cristalli in grado di produrre deboli correnti elettriche sulla loro superficie quando vengono sottoposti a deformazioni meccaniche; vengono molto utilizzati nelle telecomunicazioni e come sensori di temperatura, di tensioni meccaniche, di usura nei rivestimenti di superficie. Uno dei numerosi settori interessati alla ricerca sui materiali nuovi è quello dei sensori che lavorano ad alte temperature: molte applicazioni industriali richiedono strumenti che operino tra i 400° e gli 800°C; in questo intervallo molte sostanze, semplici o composte, cam¬ biano anche notevolmente le loro proprietà fisiche e chimiche. E' quindi particolarmente importante che gli apparecchi di misura che devono lavorare a queste temperature siano fatti di materiali termicamente molto stabili. E spesso il funzionamento di tali apparecchiature si basa sull'effetto piezoelettrico. Crescere monocristalli di fosfato di gallio privi di difetti (che ne degraderebbero le proprietà) è però assai difficile, cosicché quésto materiale ha trovato finora impieghi limitati: serve solo come sensore di pressione in motori a combustione. Se però si trovasse un metodo semplice e poco costoso per ottenere cristalli di buona qualità, il fosfato di gallio potrebbe venire utilizzato anche per quegli usi elettronici ed elettromeccanici dove attualmente si impiega il quarzo: sensori di pressione, di forza, di temperatura, accelerometri, microbilance, sensori elettroacustici. Tra i progetti internazionali di ricerca finanziati ogni anno dalla Comunità Eu¬ ropea alcuni si propongono proprio di creare nuovi materiali o di migliorare la conoscenza e le proprietà di materiali artificiali ancora poco noti. Uno di questi progetti «fin de siècle» (1997-2000), riguarda il GaP04. Si vuole sviluppare, in tre anni, la tecnologia necessaria per la crescita di monocristalli di GaP04 di alta qualità. La crescita avverrà in condizioni definite «idrotermali», cioè in soluzione ad alta temperatura (circa 200°C). Non si pensi però all'acqua che si beve nelle terme: in questo caso si tratterà di una soluzione di acidi solforici e fosforici; di idrotermale, in fondo, c'è solo il nome. Questo progetto sarà guidato da un'industria austriaca che nella sua sede di Graz ha accumulato una pluriennale esperienza nella crescita di questo materiale, l'Avi; vi parteciperanno anche cristallografi e fisici dell'Università di Genova, insieme con ricercatori di altre università e industrie francesi e tedesche. Finora i cristalli di GaPO. ven¬ gono fatti crescere in un autoclave dentro cui non è possibile compiere alcuna misurazione: occorre aspettare che la crescita termini, estrarre il cristallo e vedere com'è venuto, se ha impurezze, difetti, geminazioni. Il compito dei ricercatori italiani in questo progetto sarà quello di «inventare» un'apparecchiatura che permetta di osservare la crescita mentre avviene (in tempo reale), all'interno dell'autoclave. Si useranno probabilmente tecniche interferometriche, che hanno il vantaggio di non essere invasive, ovvero di non richiedere strumentazioni a contatto con la soluzione o con il cristallo; basta che il fluido possa essere attraversato da un raggio laser. Quindi occorrerà aprire una finestra nella parete dell'autoclave, dalla quale sarà possibile gettare un'occhiata su un ambiente molto simile alle Malebolge infernali della Commedia dantesca. Gianni Dall'Aglio Università di Genova