martedì 5 aprile 2016

Cos'è un Superfluido?

È possibile ottenere un moto perpetuo coi superfluidi
 Quasi due mesi fa ci siamo occupati dei Superconduttori, sostanze che non ostacolano in alcun modo il fluire della corrente elettrica al loro interno se portate a temperature prossime allo Zero Kelvin. Ma cosa succede se portiamo vicino allo Zero Assoluto un liquido? Nella quasi totalità dei casi questo si solidificherà, e a volte diventerà persino Superconduttore, ma c'è un'eccezione: un'unica sostanza rimane liquida anche in queste condizioni estreme, e quando succede si comporta in maniera davvero bizzarra. Si tratta di un Superfluido! Se volete scoprire di che sostanza parliamo e perché la Superfluidità è così affascinante non vi resta che continuare a leggere ;-)


Il Primo Superfluido

 Se non vi siete persi l'articolo sullo Zero Assoluto, ricorderete che sul finire del 1800 William Hampson sviluppò una tecnica che permetteva di portare a bassissime temperature i gas. Questi ultimi tendono a liquefarsi se raffreddati notevolmente, e ogni gas diventa liquido a una temperatura diversa. La tecnica di Hampson apriva così la strada allo studio del comportamento della materia al di sotto dei 70 gradi Kelvin.

 Furono rapidamente liquefatti tutti i gas, tra i quali spiccava l'Elio, che diventa liquido a soli 4.24 Kelvin! Si tratta infatti dell'elemento meno reattivo della Tavola Periodica, dato che i suoi atomi sono estremamente ostinati a non interagire l'uno con l'altro come avviene in un solido o in un liquido.

 Naturalmente, una volta che un gas è stato liquefatto si può pensare di farlo solidificare abbassando nuovamente la sua temperatura. Ciò vale in genere per tutte le sostanze, ad eccezione proprio dell'Elio, i cui atomi sono così poco reattivi da non permettere la solidificazione nemmeno alle temperature più basse raggiunte finora. Per di più, quando l'Elio diventa liquido tutte le altre sostanze si sono solidificate da un pezzo! Fortunatamente c'è un'altra grandezza che entra in gioco quando si vuole far cambiare stato alla materia: la Pressione. Alla pressione atmosferica pare che sia  effettivamente impossibile ottenere Elio solido, ma questo non significa che non vi si possa riuscire a una pressione più elevata. Un campione di Elio solido fu effettivamente ottenuto nel 1926 sottoponendo l'elemento a una pressione 25 volte più intensa di quella atmosferica e portandolo alla temperatura di 0.95 Kelvin.

Willem Hendrik Keesom
 Tuttavia, noi siamo più interessati alle caratteristiche dell'Elio nella fase liquida, in cui si manifesta la Superfluidità. Tuttavia, quest'ultima proprietà fu scoperta solo nel 1935 dal fisico olandese Willem Hendrik Keesom, che non solo fu allievo dello stesso Onnes che scoprì la Superconduttività ma fu anche il primo a ottenere Elio solido. Insomma, Keesom era un vero esperto del comportamento della materia a bassissime temperature, e si accorse immediatamente che l'Elio liquido si comportava in maniera bizzarra in certe circostanze...


Le caratteristiche dell'Elio Superfluido

 Willem stava lavorando con la sorella nel laboratorio di Onnes, a Leida, e si accorse che l'Elio non raggiungeva mai l'ebollizione se portato a temperature inferiori a 2 gradi Kelvin. Keesom scoprì ben presto che questo comportamento era riconducibile a una caratteristica mai osservata fino ad allora: l'Elio liquido conduceva il calore perfettamente e quasi istantaneamente, al punto che tutte le sue parti hanno sempre la stessa temperatura. Ciò bastava per spiegare l'impossibilità di far bollire l'Elio, dato che affinché il fenomeno si verifichi è necessario che vi siano alcune zone più calde di altre, in cui possono formarsi la caratteristiche bolle. Dato però che nell'Elio liquido la temperatura è estremamente uniforme non possono esserci zone più o meno calde di altre!

 Ma allora come può evaporare l'Elio? Anche questo avviene in maniera insolita: gli strati superiori del liquido filano via come se fossero sottilissimi veli, e progressivamente la sostanza ritorna allo stato gassoso. Ma le vere stranezze non erano ancora state scoperte!

Pëtr Leonidovič Kapica
 La ricerca fu ripresa un paio d'anni più tardi dal fisico sovietico Pëtr Leonidovič Kapica, personaggio controverso che lavorò sotto la direzione di Rutherford, permise alla Russia di arrivare alla bomba atomica e si vide infine revocare dal suo paese natale il permesso di espatrio per timore che disertasse. Questi non solo riuscì a misurare la velocità con cui il Superfluido conduce il calore (che si rivelò essere circa 200 volte maggiore di quella del rame, il secondo miglior conduttore di calore!) ma riuscì anche a far risalire la perfetta termoconduzione all'eccezionale fluidità dell'Elio. Per queste scoperte Kapica ricevette il premio Nobel circa quarant'anni più tardi.

 Le peculiarità dei Superfluidi però non si fermano qui. Ad esempio, possiamo notare una certa analogia coi Superconduttori: nell'articolo ad essi dedicato abbiamo menzionato un anello superconduttore, all'interno del quale la corrente fluì indisturbata per anni senza che venisse registrato alcun calo della sua intensità. Un comportamento simile si può riscontrare nei Superfluidi: facendo scorrere dell'Elio liquido in un tubo circolare si otterrà un moto perpetuo. Questa sostanza infatti è così fluida che non interagirà minimamente con le pareti del condotto, e quindi in assenza di attrito continuerà a scorrere in eterno!

 Un altro esperimento sbalorditivo che si può effettuare con un Superfluido consiste nel riempire un recipiente - un bicchiere ad esempio - di Elio liquido e di porlo in un contenitore più grande riempito di una minor quantità della stessa sostanza. Si osserva quindi che l'Elio forma una pellicola *(dello spessore di un solo atomo!) sulle pareti del recipiente interno, e scorre su di essa senza alcuna difficoltà riversandosi nel contenitore più grande. Il processo prosegue fino a quando i due livelli non coincidono. O analogamente si può pensare di produrre una fontana perpetua, come quella presentata nell'immagine all'inizio del post!

 Insomma, il comportamento dei Superfluidi è veramente bizzarro, ed è impossibile riassumere tutto quanto in un articolo. Ecco perché ho pensato di riportare un video che ho trovato qui, in cui vengono messi in evidenza diversi fenomeni legati alla Superfluidità

  
 All'inizio è possibile osservare la transizione dell'Elio da liquido a Superfluido (la Superfluidità è un vero e proprio stato della materia, proprio come solido, liquido e gassoso - nonostante io non abbia finora fatto alcuna distinzione tra Elio liquido e superfluido). Si nota infatti che il liquido, inizialmente in ebollizione, diventa improvvisamente limpido e uniforme. Poco più tardi (attorno a un minuto) viene mostrato come l'Elio Superfluido sia in grado di scorrere attraverso dei fori microscopici, inaccessibili al normale Elio liquido. Quindi viene presentato un caso analogo a quello dei due recipienti, in cui l'elemento scorre sulle pareti del contenitore. Infine viene mostrata la fontana perpetua.

Conclusioni

 In questo articolo abbiamo approfondito lo studio del comportamento della materia a bassisime temperature. Assieme alla Superconduttività, anche la Superfluidità si manifesta solo in queste condizioni. Anzi, per certi versi è anche più estrema (dato che si osserva a temperature più basse). Ci siamo quindi occupati di tutti quei fenomeni che rendono l'Elio Superfluido così bizzarro, in gran parte riassunti nel video finale. Un ultimo appunto: oggigiorno l'Elio non è più l'unica sostanza che è stata portata allo stato di Superfluido, ma si è scoperto che sfruttando alcuni effetti quantistici è possibile far sì che anche altri elementi manifestino la Superfluidità. Ad ogni modo, l'Elio è l'unica sostanza che raggiunge questo stato in maniera relativamente "semplice". Spero che l'articolo ti sia piaciuto,
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio



Immagini tratte da:
http://www.scienzenoetiche.it/synthesis/fisica_quantistica/11_superfluidita_superconduttivita.php
www.alchetron.com
www.nobelprize.org

2 commenti:

  1. Puramente magnifico sto lavorando a una teoria e quel che hai detto sui superfluidi mi è stato molto utile grazie a te ora posso procedere grazie,
    -Emanuele

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  2. grazie a te riuscirò a continuare la mia teoria seriamente grazie,
    -Emanuele

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