Realizzato un superconduttore a temperatura ambiente. «Materiali che possono cambiare il mondo così come lo conosciamo»

Lo studio “Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”, pubblicato su Nature da un team di ricercatori statunitensi racconta come gli ingegneri e i fisici dell’università di Rochester, comprimendo solidi molecolari semplici con idrogeno a pressioni estremamente elevate, hanno creato per la prima volta un materiale superconduttore a temperatura ambiente»

Una ricerca condotta nel laboratorio di Ranga Dias, del Department of mechanical engineering della School of engineering and applied sciences dell’università di Rochester, che ricorda che «Lo sviluppo di materiali superconduttori, senza resistenza elettrica ed espulsione del campo magnetico a temperatura ambiente, è il “Santo Graal” della fisica della materia condensata. Ricercati per più di un secolo, questi materiali possono sicuramente cambiare il mondo come lo conosciamo».

Per ottenere questo super-conduttore, Dias e il suo team di ricerca dicono di aver «combinato l’idrogeno con carbonio e zolfo per sintetizzare fotochimicamente semplice idruro di zolfo carbonioso di derivazione organica in una cella a incudini di diamante, un dispositivo di ricerca utilizzato per esaminare quantità minuscole di materiali sotto pressione straordinariamente alta. L’idruro di zolfo carbonioso ha mostrato superconduttività a circa 58 gradi Fahrenheit e a una pressione pressione di circa 39 milioni di libbre per pollice quadrato (psi)».

Dias sottolinea che «A causa dei limiti della bassa temperatura, materiali con proprietà così straordinarie non hanno completamente trasformato il mondo in un modo in cui molti avrebbero potuto immaginare. Tuttavia, la nostra scoperta abbatterà queste barriere e aprirà la porta a molte potenziali applicazioni». E secondo i ricercatori queste applicazioni comprendono: reti elettriche che trasmettono elettricità senza perdite di energia fino a 200 milioni di megawattora (MWh), perdite che attualmente si verificano a causa della resistenza nei fili; un nuovo modo per sospingere i treni a levitazione e altre forme di trasporto; tecniche di imaging e scansione medica come la risonanza magnetica e la magnetocardiografia; elettronica più veloce ed efficiente per la digital logic e la tecnologia dei dispositivi di memoria.

Un altro autore dello studio, Ashkan Salamat del Department of physics and astronomy dell’università del Nevada – Las Vegas, sottolinea che «Viviamo in una società di semiconduttori e con questo tipo di tecnologia possiamo trasformarla in una società superconduttrice nella quale non avremo più bisogno di cose come le batterie».

La quantità di materiale superconduttore creato dalle celle a incudini di diamante è misurata in picolitri, circa la dimensione di una singola particella a getto di inchiostro. Per Dias, «La prossima sfida è trovare modi per creare materiali superconduttori a temperatura ambiente a pressioni inferiori, in modo che siano economici da produrre in volumi maggiori. In confronto ai milioni di libbre di pressione creati nelle celle a incudini di diamante, la pressione atmosferica della Terra a livello del mare è di circa 15 psi.

All’università di Rochester spiegano ancora: «Scoperta per la prima volta nel 1911, la superconduttività conferisce ai materiali due proprietà chiave. La resistenza elettrica svanisce. E ogni parvenza di campo magnetico viene espulsa, a causa di un fenomeno chiamato effetto Meissner. Le linee del campo magnetico devono passare attorno al materiale superconduttore, rendendo possibile la levitazione di tali materiali, qualcosa che potrebbe essere utilizzato per treni ad alta velocità senza attrito, noti come treni a levitazione magnetica. Potenti elettromagneti superconduttori sono già componenti essenziali di treni a levitazione magnetica, macchine per la risonanza magnetica (MRI) e risonanza magnetica nucleare (NMR), acceleratori di particelle e altre tecnologie avanzate, compresi i primi supercomputer quantistici. Ma i materiali superconduttori utilizzati nei dispositivi di solito funzionano solo a temperature estremamente basse, inferiori a qualsiasi temperatura naturale sulla Terra. Questa restrizione li rende costosi da mantenere e troppo costosi da estendere ad altre potenziali applicazioni».

Dias conferma: «Il costo per mantenere questi materiali a temperature criogeniche è così alto che non è possibile trarne il massimo vantaggio».

Finora, la temperatura più alta per un materiale superconduttore era stata raggiunta nel 2019 nel laboratorio di Mikhail Eremets al Max-Planck-Institut für Chemie e dal team di Russell Hemley all’università dell’Illinois – Chicago: da -10 a 8 gradi Fahrenheit usando la superidride di lantanio.

Negli ultimi anni i ricercatori hanno anche studiato gli ossidi di rame e le sostanze chimiche a base di ferro come potenziali candidati per i superconduttori ad alta temperatura. Ma anche l’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo, sembra un promettente elemento costitutivo.

Dias sottolinea che «Per avere un superconduttore ad alta temperatura, ci vogliono legami più forti ed elementi leggeri. Questi sono i due criteri fondamentali. L’idrogeno è il materiale più leggero e il legame dell’idrogeno è uno dei più forti. Si teorizza che l’idrogeno metallico solido abbia un’elevata temperatura di Debye e un forte accoppiamento elettrone-fonone che è necessario per la superconduttività a temperatura ambiente».

Ma sono necessarie pressioni straordinariamente elevate solo per portare l’idrogeno puro a uno stato metallico, che è stato ottenuto per la prima volta in un laboratorio nel 2017 Dias e da Isaac Silvera dell’Harvard University.

Il laboratorio di Dias a Rochester ha lavorato a un “cambio di paradigma”, utilizzando come alternativa materiali ricchi di idrogeno che «imitano l’inafferrabile fase superconduttiva dell’idrogeno puro e possono essere metallizzati a pressioni molto più basse». Prima di tutto, il laboratorio ha combinato ittrio e idrogeno, ottenendo superidruro di ittrio che ha mostrato superconduttività a quella che allora era una temperatura record di circa 12 gradi Fahrenheit e una pressione di circa 26 milioni di libbre per pollice quadrato.

Successivamente il laboratorio ha esplorato la possibilità di utilizzare materiali di derivazione organica ricchi di idrogeno covalenti, ottenendo idruro di zolfo carbonioso. I fri cercatori dicono che «Questa presenza di carbonio è di fondamentale importanza. Un’ulteriore “sintonia compositiva” di questa combinazione di elementi potrebbe essere la chiave per ottenere la superconduttività a temperature ancora più elevate».

Dias e Salamat hanno fondato la Unearthly Materials, una company che punta a trovare la strada per realizzare superconduttori a temperatura ambiente che possono essere prodotti in modo scalabile a pressione ambiente. Sono in attesa di brevetto.

greenreport.it

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