Benvenuti nella pagina dedicata alla superconduttività, un fenomeno che ha trasformato la nostra comprensione della materia e aperto la strada a tecnologie rivoluzionarie.
Target principale: Studenti di scuola secondaria di primo grado e secondaria di secondo grado
In questa esposizione esploreremo i fondamenti di questo affascinante fenomeno, le sue applicazioni e le promesse che riserva per il futuro. Leggi questa introduzione e poi visita liberamente la nostra mostra virtuale Super! realizzata nell'ambito dell’edizione del 2020 del Festival della Scienza di Genova.
Le tappe storiche della superconduttività: dalla scoperta alle nuove frontiere
La storia della superconduttività ha inizio nel 1911, quando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, studiando le proprietà elettriche del mercurio raffreddato vicino allo zero assoluto (-273,15 °C), osservò la scomparsa della resistenza elettrica. Questa scoperta fu una pietra miliare nella fisica dello stato solido e valse a Onnes il premio Nobel nel 1913.
Le prime scoperte nei metalli puri come mercurio, piombo e stagno portarono alla realizzazione che la superconduttività è un fenomeno legato alle proprietà collettive degli elettroni a basse temperature. Negli anni '50, il mistero di come avvenisse questo fenomeno fu risolto con la teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Secondo questa teoria, gli elettroni nei superconduttori si accoppiano formando le coppie di Cooper, che si muovono senza subire resistenza grazie all'interazione con il reticolo cristallino del materiale.
Negli anni '60 e '70, le ricerche si focalizzarono sulle leghe metalliche come il niobio-stagno (Nb3Sn) e il niobio-titanio (NbTi), che potevano essere utilizzate per realizzare magneti superconduttori. Questi materiali hanno trovato applicazione in dispositivi come i magneti per la risonanza magnetica (MRI) e gli acceleratori di particelle.
La vera rivoluzione arrivò nel 1986 con la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura critica (alta Tc) da parte di Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Müller, che valsero ai due scienziati il Nobel nel 1987. Materiali come gli ossidi di rame (cuprati), in particolare YBa2Cu3O7 (YBCO), sono in grado di diventare superconduttori a temperature relativamente elevate, attorno ai -196 °C, facilmente raggiungibili con azoto liquido. Questa scoperta ha ampliato enormemente le prospettive applicative, portando la superconduttività fuori dai laboratori.
Negli anni 2000, un nuovo gruppo di materiali ha attirato l'attenzione: i superconduttori a base di ferro. Scoperti nel 2008, questi materiali presentano una combinazione unica di superconduttività e proprietà magnetiche, offrendo nuove possibilità per comprendere i meccanismi di questo fenomeno.
Negli ultimi anni, la ricerca ha raggiunto una nuova frontiera con i superconduttori layerati ad alta pressione, come l'idruro di zolfo (H3S) e altri idruri sintetizzati in condizioni estreme. Questi materiali hanno raggiunto temperature critiche vicine a quelle ambiente, superando i 15 °C, ma richiedono pressioni straordinarie, superiori a 200 gigapascal, rendendoli attualmente poco pratici per le applicazioni quotidiane. Nonostante le difficoltà tecniche, queste scoperte rappresentano un traguardo scientifico di straordinaria importanza.
Dalla teoria alle applicazioni: la superconduttività nel mondo reale
La superconduttività non è solo un fenomeno affascinante dal punto di vista teorico, ma anche un motore per innovazioni tecnologiche. Nella mostra virtuale, scoprirete le principali applicazioni attraverso esperienze interattive:
- Trasporto senza perdite: i cavi superconduttori promettono di ridurre drasticamente le perdite energetiche nella trasmissione di energia elettrica.
- Magneti ad alto campo: utilizzati in acceleratori di particelle come il CERN e nei reattori a fusione nucleare per confinare il plasma ad altissime temperature.
- Levitazione magnetica: treni e flywheels superconduttivi galleggiano sopra i binari grazie all'effetto Meissner, offrendo trasporti più efficienti e sostenibili.
- Applicazioni biomediche: dispositivi avanzati come la risonanza magnetica nucleare (MRI) e i sensori SQUID (per la magnetoencefalografia) sono possibili grazie ai materiali superconduttori.
Il futuro della superconduttività: ricerca e innovazione
Un’intera sezione della mostra è dedicata alle prospettive future, con un focus sulle ricerche condotte dall’Istituto SPIN del CNR. I ricercatori stanno studiando nuovi materiali e tecnologie per rendere la superconduttività più accessibile, esplorando applicazioni in settori come l'elettronica quantistica, l'energia rinnovabile e l'informatica avanzata.
Sebbene alcuni traguardi, come i superconduttori a temperatura ambiente, siano ancora lontani dall'uso pratico, la scienza continua a spingere i confini del possibile.
Entrate ora nella mostra virtuale Super! per scoprire come la superconduttività, un fenomeno che nasce nel silenzio del freddo estremo, stia trasformando il nostro mondo in modi sorprendenti. Non abbiate timore esplorate e toccate ovunque… non potete rompere nulla!
