2 aprile 2021

I cristalli (seconda parte)

Una love story tra l'ordine e il difetto

Atterrarono su uno di quegli ioni e si accucciarono spalla contro spalla.

 

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In alto, cristallo di un titanato di bario al microscopio elettronico (immagine da Wikimedia Commons). In basso, la struttura cristallina di base del titanato di bario prima e dopo una sollecitazione meccanica (immagine da Wikimedia Commons)

 

Vug allora cominciò a spiegare. Si trovavano di fronte a un cristallo di titanato di bario, un tipo di minerale chiamato perovskite. Materiali come questi hanno la proprietà di essere piezoelettrici, ovvero di generare una differenza di potenziale elettrico in seguito a sollecitazioni meccaniche. Sono anche in grado di subire il processo inverso, ovvero di essere deformati se sottoposti a una tensione elettrica. La peculiarità di questi materiali infatti è quella di possedere uno ione piccolo e mobile all’interno della loro cella cristallina. Nel caso del titanato di bario, BaTiO3, il ruolo di questo ione vagabondo è giocato dal titanio (Ti4+). Gli ioni sono particelle cariche, pertanto una loro distribuzione asimmetrica nello spazio crea un dipolo elettrico, rappresentato come un vettore, ovvero una freccia. Se compresso, un cristallo di titanato di bario viene deformato fino a “stirare” sempre di più la cella cristallina e quindi aumentare l’intensità del dipolo elettrico al suo interno. Considerando che un cristallo è fatto da un numero inimmaginabile di celle l’una di fianco all’altra estese nello spazio, raggiunta una deformazione critica il dipolo elettrico totale è così elevato da generare una scintilla, esattamente come farebbe un fulmine in una giornata tempestosa.

 

— Vedi, senza l’asimmetria non potremmo neanche accendere il fuoco per la pasta? Ed ecco che basta un pulsante, una piccola pressione, una scossa elettrica e il gas può prendere fuoco.

 

— Questo mi ricorda qualcosa — rispose Qfwfq con un sorriso sornione.

 

Tirò fuori dal taschino una penna di plastica, la strofinò sulla manica e l’avvicinò ai capelli di Vug.

 

— No, scemo, è tutta la mattina che cerco di allisciarli, lasciami.

 

Presero a rincorrersi ridendo come bambini e dopo un tempo indefinito si ritrovarono tra boccette e flaconi profumati. Nel rincorrere la sua preda, Qfwfq batté contro uno di questi e sbirciando sull’etichetta lesse: “zeolite da detersivo”.

 

— Oh, ecco un’altra meravigliosa architettura. Questa non potrà che lasciarti a bocca aperta — disse lui.

 

Aprirono il coperchio del flacone e scesero in picchiata su una polvere bianca. Era proprio polvere di zeolite, un minerale poroso formato da ioni sodio e potassio incastonati in un reticolo di ossido di silicio e alluminio.  Quella che avevano davanti era una struttura peculiare, detta faujasite, che tanto affascinava Qfwfq per l’ordine nella sua architettura. Silicio (Si), alluminio (Al) e ossigeno (O) erano disposti nello spazio a formare delle gabbie collegate tra loro. Ciò che interessava Vug, tuttavia, era la disposizione più disordinata degli ioni sodio e potassio, sepolti in alcuni interstizi tra le gabbie della superstruttura.

 

— Sai che questa polvere non si trova qui per soddisfare il tuo gusto estetico, vero? Ti sei chiesto cosa ci faccia un cristallo simile in un detersivo?

 

Qfwfq fece per ribattere, ma capitolò di nuovo. Vug proseguì precisando che un buon detersivo dev’essere in grado di diminuire la durezza dell’acqua, ovvero il suo quantitativo di ioni calcio e magnesio. La presenza di questi ioni infatti ha la sgradevole conseguenza di formare dei solidi poco solubili, tra cui i carbonati, che conosciamo come “calcare”. Gli ioni calcio (Ca2+) e magnesio (Mg2+), esattamente come quelli di sodio (Na+) e potassio (K+), portano una carica positiva. La zeolite può quindi fungere da scambiatore di ioni, rilasciando ioni Na+ and K+ e sostituendoli con quelli di Ca2+ e Mg2+ presenti in un’acqua dura.

 

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In alto, foto di una zeolite. In basso, proiezione planare e struttura tridimensionale della cella di base di una faujasite. È raffigurato anche schematicamente lo scambio ionico tra ioni calcio e ioni sodio. (immagine da Wikimedia Commons).

 

— Ancora una volta — rincarò la dose Vug — senza intrusi nel tuo perfetto mondo cristallino non esisterebbe funzione, anzi, non esisterebbe il pulito.

 

Ma in un attacco di empatia nel vedere il volto di Qfwfq abbattuto, lo afferrò per un braccio e lo accompagnò in un viaggio dentro la meravigliosa gabbia della faujasite.

 

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Mentre si addentravano in quel tunnel di silicio, alluminio e ossigeno, gli occhi di Qfwfq caddero sulle dita chiare e sottili di Vug. Tornò col pensiero a quell’afoso giorno d’estate, madido di sudore di fronte alla vetrina di un negozio in cui non si decideva ad entrare. Non aveva dubbi sulla gemma: un rosso fuoco, come i suoi lunghi capelli. Rimase folgorato da quell’armonia poliedrica, incastonata sulla sommità di un anello perfetto. Quando si decise a comprarlo, non fu certo di averlo fatto per amore o per ossessione. Erano passati mesi, lo custodiva ancora in tasca. In quel momento, rigirandolo nascosto tra le dita e ammirando Vug, fu un altro ricordo a sopraggiungere.

 

— Vug — la chiamò da lontano mentre lei si avventurava tra le colonne della faujasite. Lei si voltò.

 

— Sì?

 

— Raccontami ancora dell’imperfezione di quel cristallo. Il tuo preferito. Raccontami ancora del rubino.

 

Vug allora si sedette accanto a lui e cominciò a raccontare. Tutto prende le mosse dall’allumina. Si tratta di un ossido di alluminio, di semplice formula Al2O3. È un solido bianco, ha una buona resistenza al calore, si può utilizzare per fabbricare ceramiche, ma in sostanza un minerale noioso. Eppure spesso, per fortuna, la Natura è imperfetta. Alcuni cristalli di allumina possono essere “sporcati”, ovvero contenere dei difetti, a causa dell’infiltrazione di ioni diversi. Nell’immenso reticolo, alcuni ioni alluminio (Al3+) possono essere sostituiti da ioni cromo (Cr3+). È solo grazie a questa piccola, non necessaria imperfezione che la banale bianca allumina si trasforma nel focoso rubino. Non è facile spiegare il motivo di quella che sembra una magia cromatica, ma è sufficiente sapere che lo ione Al3+ non è capace di assorbire la luce visibile, al contrario dello ione Cr3+. Quest’ultimo, in virtù della sua posizione nel cristallo, è capace di assorbire la luce verde lasciando trasmettere quindi il suo colore complementare, ovvero proprio il rosso.

 

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Un rubino grezzo accanto alla sua struttura cristallina. Si può notare che in alcune posizioni gli ioni alluminio (in blu) sono sostituiti da ioni cromo (in rosso) (immagini da Wikimedia Commons e Wikipedia)

 

— Sai perché il rubino è sempre stata la mia gemma preferita, Qfwfq? — Lui scosse la testa. — Perché ha qualcosa da insegnarci. La sua bellezza vive dell’imperfezione, del difetto. Proprio come il tuo naso storto o il mio neo sulla fronte.

 

Qfwfq si sentì di nuovo leggero come da bambino, giovane come fiori di cristallo appena formatisi agli albori della Terra. Armeggiò ancora con le mani in tasca e sentì l’anello scivolargli tra le dita. Abbassò lo sguardo e tremando trovò il coraggio di dire: — Vug, avrei una cosa da dirti.

 

Lei si alzò in piedi e lo invitò a fare lo stesso porgendogli una mano. Qfwfq l’afferrò abbandonando l’anello nella tasca. Poi si sentì dire: — Non importa. Adesso hai capito.

 

Qfwfq premette le sue labbra su quelle di Vug e chiudendo gli occhi pensò a quelle superfici carnose e rugose, irregolari, piene di gradini e rientranze tra gli atomi. E pensò alla loro unione, agli atomi che affacciandosi come pezzi di un puzzle gli uni verso gli altri, stavano forse creando, nel regno del molto molto piccolo, un nuovo meraviglioso cristallo.

 

«Perché la ruota giri, perché la vita viva, ci vogliono le impurezze, e le impurezze delle impurezze»
Primo Levi

 

 

Per saperne di più:

L’articolo è liberamente ispirato al racconto I cristalli in Italo Calvino, Cosmicomiche vecchie e nuove, Garzanti Editore, Milano, 1984.

La citazioni provengono da Edgar Allan Poe, Le avventure di Gordon Pym, traduzione a cura di Enzo Giachino, Newton Compton Editori, Roma, 1992 e da Primo Levi, Il sistema periodico, Giulio Einaudi editore, Torino, 2014.

Un’introduzione qualitativa alla fisica dello stato solido si può trovare in P. Atkins, J. De Paula, Chimica fisica, quinta edizione condotta sulla nona edizione inglese, a cura di R. Lombardo, traduzione a cura di S. Cacciari, Zanichelli, Bologna, 2012 e in C. E. Housecroft, A.G. Sharpe, Inorganic Chemistry, 5th edition, Pearson, London, 2018.

Per una trattazione più formale dell’argomento si può vedere C. Kittel, Introduzione alla fisica dello Stato solido, a cura di E. Bonetti, C.E. Bottani e F. Ciccacci, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 2008.

 

 

Immagine da Pixabay - Libera per usi commerciali

 


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