Il Nobel per la chimica del 2011 a Daniel Shechtman per la scoperta dei quasicristalli

Daniel Shechtman, nato nel 1941 a Tel Aviv, insegna all’Israel Institute of Technology (Technion), alla Iowa State University e collabora anche con l’Ames Laboratory del dipartmento per l’energia statunitense.

La scoperta

Nei quasicristalli si osservano schemi di organizzazione atomica regolari che però, a differenza di quanto accade nei cristalli, non si ripetono.

La loro scoperta avvenne l’8 aprile 1982, quando grazie al suo microscopio elettronico Daniel Shechtman osservò per la prima volta questo tipo di struttura che era fino ad allora ritenuta impossibile. Si riteneva infatti che le strutture cristalline dovessero forzatamente presentare schemi di simmetria periodici e fissi.

All’epoca, la sua scoperta suscitò molte polemiche e fu messa in dubbio. La struttura dei cristalli viene infatti identificata attraverso lo studio delle figure di diffrazione che essi generano quando sono attraversati dalla luce, ma le figure identificate da Shechtman non erano mai state viste prima e non erano contemplate nel catalogo della International Union of Crystallography.

I quasicristalli hanno una conformazione aperiodica che ricorda i mosaici del Palazzo Alhambra in Spagna e la Darb-i Imam Shrine in Iran, anch’essi esibiscono una struttura regolare, che si conforma a regole matematiche, ma che non si ripete mai identica.

Quasi cristalli e tassellature 

All’accettazione del risultato contribuirono gli studi che Penrose aveva intrapreso fin dagli anni settanta sulla tassellatiura del iano, mostrando che era possibile farla, per esempio, con un mosaico aperiodico costituito da rombi piccoli e grandi. Lo studio della tasellatura dello spazio è evidentemente molto più complessa.

Un aspetto affascinante sia dei quasicrtistalli sia dei mosaico aperiodici è la loro relazione con il rapporto aureo, sovente indicato con la lettera greca tau, in quanto iniziale della parola greca tomè, che significa sezione.

Il rapporto tra il numero di rombi grandi e piccoli nella tassellatra di Penrose è per esempio, tau. Allo stesso modo, il rapporto fra le varie distanze tra gli atomi dei quasicristalli è sempre legato anch’esso a tau.

La costante tau è peraltro definita da una sequenza di numeri identificata nel XIII secolo dal matematico italiano Fibonacci, nella quale ogni numero è la somma dei due precedenti: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21… Se si divide un numero abbastanza alto di questa sequenza per quello immeditamente precedente, (per esempio 144 e 89) si ottiene un numero che approsima il rapporto aureo.

Nuove definizioni e nuovi materiali

Poiché segue una regola matematica, anche la sequenza di Fibonacci è regolare, pur non ripetendosi mai. Dato che fino ad allora i chimici intendevano la regolarità nei cristalli come uno schema periodico ripetitivo, la International Union of Crystallography nel 1992 modificò la definizione di cristallo passando da “una sostanza in cui gli atomi, le molecole o gli ioni costituenti sono impaccati secondo un ordine regolare” a “qualsiasi solido che abbia un diagramma di diffrazione sostanzialmente discreto”.

Fin dalla loro scoperta nel 1982, centinaia di quasicristalli sono stati sintetizzati nei laboratori di tutto il mondo, ma nel 2009 sono stati scoperti anche dei quasicristalli in natura, in campioni di un nuovo tipo di minerale prelevato nel fiume Khatyrka, nella Russia orientale. Il minerale è in composto di alluminio, rame e ferro chiamato icosaedrite.

I quasicristalli hanno inoltre una struttura che può conferire una particolare resistenza ai materiali che siano prodotti secondo il loro schema; inn particolare è possibile produrre acciai particolarmente resistenti. (gg)

Da Le Scienze n. 274, giugno 1991
La struttura dei quasicristalli
di Peter W. Stephens e Alan L.Goldman

Da Le Scienze, n.218, ottobre 1986
I quasicristalli di David R. Nelson