METASTABILITA: LA MATERIA IN EQUILIBRIO PRECARIO.
“Nulla si crea e nulla si distrugge, tutto si trasforma”, questo è forse l’aforisma più conosciuto di Antoine Lavoisier, considerato il padre della chimica. In effetti la chimica si occupa proprio di studiare le trasformazioni della materia e, anche nell’immaginario comune, al termine chimica si associa subito il concetto di reazione, la cui definizione è proprio trasformazione chimica.
Tutte le reazioni sono governate da un equilibrio, che può essere più o meno spostato verso i reagenti o verso i prodotti, ma in linea di principio tutte le reazioni sono di equilibrio. Per definire cosa sia l’equilibrio chimico, bisogna ricorrere alla termodinamica, ma, con un’estrema semplificazione, si può affermare che una reazione si trova all’equilibrio quando apparentemente è “ferma”, anche se la cinetica ci dice che non è affatto statico l’equilibrio chimico. In ogni caso, quel che si osserva è che non ci sono più variazioni di concentrazione né tra i prodotti né tra i reagenti, quindi, se non si interviene dall’esterno a cambiare qualche parametro, la reazione si può considerare conclusa.
Sempre la termodinamica ci dice che in una generica trasformazione, comprendendo quindi oltre alle reazioni chimiche tutte le trasformazioni della materia (tra cui ad esempio i passaggi di stato), evolvono spontaneamente verso la stabilità, cioè una condizione in cui il sistema ha la minima energia (di qualsiasi forma essa sia) possibile in quelle condizioni chimico fisiche. Ciò, grazie all’universalità delle leggi fisiche, si vede quotidianamente in tutto ciò che ci circonda: un oggetto tra le nostre mani è instabile, è infatti sufficiente allentare la presa, affinché esso diminuisca la propria energia gravitazionale andando verso una posizione più stabile, come può essere il pavimento.
E’ affascinante studiare come tutta la materia che ci circonda, si trasformi e combini in infiniti modi per raggiungere sempre la stabilità, ma ad intrigare ancora di più, è il fatto che a volte i sistemi non evolvano verso il minimo assoluto di energia. Esistono infatti dei minimi di energia, che si trovano più in alto delle minima energia possibile per il sistema: tornando all’analogia con l’oggetto che ci scivola di mano, è come se prima di toccare terra incontrasse un tavolo sul quale si ferma, per un tempo breve o lungo in base al nuovo equilibrio che ha raggiunto sul tavolo. In chimica fisica questo genere di equilibrio viene definito equilibrio metastabile ed è tutt’altro che raro; anzi nei paragrafi successivi vedremo come quella che sembra una pura curiosità scientifica, sia in realtà qualcosa in cui ci imbattiamo tutti i giorni.
PONTI METASTABILI
La diffusione dei composti metastabili è dovuta al fatto che talvolta essi sono abbastanza stabili da poter esistere in condizioni ambiente e in ampi intervalli di pressione e temperatura, come nel caso degli acciai. L’acciaio, dalla rivoluzione industriale ad oggi, è stato impiegato per mille usi: ponti, monumenti, contenitori resistenti all’ossidazione, gioielli e molto altro ancora. Il suo impiego in condizione estreme potrebbe far pensare che si tratti di un materiale molto stabile, ma in realtà l’acciaio è costituito da composti metastabili.
In genere, anche in ambito scientifico, l’acciaio è definito come una lega ferro-carbonio con contenuto di carbonio inferiore al 2% in peso. In realtà di carbonio elementare non vi è traccia in nessun tipo di acciaio, si trova invece un composto metastabile chiamato cementite e di formula chimica Fe3C. Verrebbe a questo punto da chiedersi come sia possibile che gran parte delle nostre costruzioni, la cui stabilità è verificata anche attraverso collaudi, siano costruite con un materiale che chimicamente stabile non è. La spiegazione sta nel fatto che la stabilità “statica” di una costruzione non dipende direttamente dalla composizione chimica del materiale che la costituisce, quanto più da quelle che vengono definite proprietà meccaniche del materiale, come ad esempio durezza, resistenza all’urto, eccetera. Queste proprietà non dipendono solo dalla composizione chimica, ma anche dal tipo di lavorazione che subisce un materiale: ad esempio la tempra,cioè un brusco raffreddamento in acqua di un metallo colato, è un tipico trattamento in grado di aumentare la durezza di un acciaio.
La cementite ha un’influenza determinante su queste proprietà: ad esempio è molto più dura del carbonio elementare. E’ quindi grazie a questo componente metastabile se gli acciai hanno delle caratteristiche uniche, che hanno permesso i più svariati impieghi di questa lega. Inoltre la cementite è un composto metastabile, che è in grado di esistere anche ad alte temperature e pressioni, basti pensare ad alcuni impieghi degli acciai. Addirittura nelle ghise, che sono sempre leghe ferro-carbonio soltanto con un contenuto di carbonio maggiore degli acciai, per decomporre la cementite e avere carbonio grafitico in quelle che vengono definite ghise grigie, da cui dipendono le diverse proprietà di questo materiale rispetto agli acciai, occorre aggiungere elementi grafitizzanti ( tipicamente silicio e nichel) per spostare l’equilibrio verso il più stabile carbonio.
UN DIAMANTE NON E’ PER SEMPRE
Abbiamo appena visto come il carbonio sia un elemento stabile a temperatura e pressione ambiente, ma in realtà il carbonio in queste condizioni esiste in diverse forme, di cui le più conosciute sono il diamante e la grafite. Si tratta di forme di carbonio molto diverse tra loro per proprietà e impieghi: il diamante a livello atomico è costituito da tetraedri che si espandono nelle tre dimensioni, mentre nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti in esagoni che si estendono lungo dei piani sovrapposti. Da strutture diverse derivano ovviamente proprietà diverse: il diamante è incolore, isolante ed è la sostanza più dura nella scala di Mohs; la grafite invece è scura, conduce la corrente elettrica ed è relativamente morbida, motivo per cui le mine di grafite lasciano una traccia sul foglio.
La termodinamica ci dice che, a pressione e temperatura ambiente, la forma stabile del carbonio è la grafite, mentre il diamante esiste come fase metastabile. Prima abbiamo visto come l’equilibrio cementite-carbonio fosse spostato verso il composto metastabile, nell’equilibrio grafite-diamante invece è favorito il composto stabile, al punto che, per ottenere i diamanti sintetici dalla grafite, bisogna operare a 1600°C e 50 000 atmosfere.
Lo slogan pubblicitario “un diamante è per sempre” è quindi falso, perché il diamante a temperatura e pressione ambiente tende, a causa dell’equilibrio metastabile, a trasformarsi in grafite. Per la fortuna di chi possiede la preziosa gemma, questa reazione è molto lenta e per molte generazioni, indicativamente per qualche millennio, questa rimarrà diamante. La trasformazione è così lenta perché ha bisogno di molta energia per partire, si dice che ha un’alta energia di attivazione, ma fornendo questa energia, possiamo osservare la trasformazione in tempi umani: le punte di diamante, impiegate come abrasivi in diversi processi industriali data l’estrema durezza del diamante, se eccessivamente surriscaldate per attrito si trasformano in grafite.
L’ACQUA SOLIDIFICA A -48°C
Un’altra sostanza molto comune che instaura un equilibrio metastabile è la molecola più diffusa sulla Terra. L’acqua infatti, nel trasformarsi da liquido a solido, oltre ad avere un aumento di volume, in controtendenza con la maggior parte delle sostanze note, lo fa seguendo un equilibrio metastabile.
Sin da bambini ci è stato detto che raffreddando l’acqua a 0°C, questa “congela” e si trasforma in ghiaccio. In realtà il fenomeno è molto più complicato, e non sempre l’acqua solidifica alla temperatura convenzionalmente scelta come inizio della scala Celsius. L’idea che la temperatura di solidificazione dell’acqua possa variare, non dovrebbe di per sé destare stupore: è noto che durante l’inverno sulle strade di montagna si sparga il sale per evitare la formazione del ghiaccio. Questo fenomeno, chiamato abbassamento crioscopico, è però dovuto alla presenza del sale, che abbassa la temperatura di solidificazione dell’acqua di qualche grado.
L’equilibrio metastabile, invece, caratterizza l’acqua pura ed è il responsabile del sottoraffreddamento dell’acqua, cioè si ha la persistenza dell’acqua allo stato liquido fino alle temperatura di -48°C, dato ottenuto in una recentissima pubblicazione. Questa fase metastabile, a differenza di quelle citate in precedenza, non è così comune da vedere per il semplice fatto che l’acqua è il solvente per antonomasia, è infatti in grado di sciogliere la maggior parte dei sali e diverse sostanze organiche (ad esempio l’acol etilico), ed è quindi piuttosto raro trovarla pura in natura. Inoltre per far solidificare l’acqua sottoraffreddata è sufficiente un urto, poiché si tratta di una fase molto instabile.
E’ però comunque importante lo studio di questo equilibrio, perché è stato scoperto che nelle nubi atmosferiche si trova anche dell’acqua sottoraffreddata e questo non può essere trascurato negli studi climatici, basti pensare all’ormai noto effetto serra, poiché la capacità di assorbire le radiazioni solari cambia notevolmente tra un liquido e un solido. Sicuramente questa scoperta è di grande portata in un periodo in cui gli studi climatici stanno diventando fondamentali per il futuro del pianeta.
MICROSCOPICHE METASTABILITA’
Finora abbiamo parlato di leghe, composti e elementi metastabili, cioè tutte specie chimiche macroscopiche. Ma la metastabilità della materia si può incontrare ad ogni suo ordine di grandezza, compresi quelli
microscopici descritti dalla fisica quantistica. In breve questa teoria, che ha rivoluzionato la scienza ad inizio XX secolo, dice che l’energia è quantizzata, cioè non varia con continuità, ma può assumere solo determinati valori multipli di un “quanto”. A livello macroscopico ciò non si osserva perché i livelli energetici sono talmente vicini tra loro che, per masse grandi, le grandezze fisiche è come se variassero con continuità e i fenomeni macroscopici sono descrivibili con le leggi della fisica classica.
Quando però si studiano gli atomi, bisogna ricorrere agli strumenti della fisica quantistica: infatti si è così giunti al modello di atomo attuale, secondo cui gli elettroni nel loro moto attorno al nucleo, descritto da una funzione matematica chiamata orbitale, possono assumere solo determinati valori di energia. Si può quindi parlare di livelli energetici consentiti per l’elettrone e la differenza di energia tra questi livelli è quantizzata.
Normalmente gli elettroni si trovano nel livello energetico ad energia minore, e si dice che sono allo stato fondamentale, ma se viene loro fornita energia sufficiente, sottoforma di radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza, essi possono raggiungere uno stato eccitato ad energia maggiore. Come si può intuire lo stato eccitato è instabile e l’elettrone tende spontaneamente a ritornare allo stato fondamentale, emettendo, sottoforma di radiazione o calore, l’energia precedentemente assorbita.
Qui entra in gioco la metastabilità: esistono infatti dei livelli energetici metastabili, che sì hanno energia maggiore rispetto allo stato fondamentale, ma sui quali gli elettroni riescono a rimanere per qualche millisecondo, un tempo notevole a questo ordine di grandezza, e addirittura si può avere la maggior parte degli elettroni su questi livelli metastabili, quando si verifica la cosiddetta inversione di popolazione.
Questo, che sembra essere l’ennesimo scherzo della natura alle nostre teorie scientifiche, trova però un impiego fondamentale nella tecnologia, poiché è il principio alla base del funzionamento del laser. Infatti, una volta ottenuta l’inversione di popolazione fornendo energia al sistema, con quello che viene definito “pompaggio”, gli elettroni permangono sul livello metastabile più a lungo di quanto non farebbero su un livello eccitato. Quando poi decadono emettendo fotoni (quanti di luce) nel visibile e, il fatto che siano molti elettroni insieme a decadere insieme dallo stesso livello, porta all’emissione di un fascio di luce monocromatico, convergente e coerente.
Oggi esistono in commercio laser di diverse frequenze e colori, in base all’impiego a cui sono destinati: si va infatti dalla chirurgia, ai tagli di precisione dei metalli, sino agli effetti ottici nelle discoteche, tutto ciò grazie al fatto che in ogni materiale la differenza di energia tra i livelli energetici è diversa e si possono ottenere quindi emissioni di frequenza, quindi di energia, molto diversa.
Con questi pochi, ma credo significativi, esempi di metastabilità si è visto come la natura sia ben lontana dalla stabilità e dalla perfezione, come si può essere portati a credere guardando ad esempio la meraviglia di un diamante o pensando al fenomeno vita. Nonostante questi “equilibri precari” lo studio della natura non
perde affatto il suo fascino, anzi si mostra in tutta la sua complessità, che da sempre ha stupito e incuriosito l’uomo a cercare di interpretarla.
