La natura lotta per il caos. È una frase piacevole e confortante quando l'ennesima tazza di caffè è caduta sulla tastiera del computer e immagini di poter desiderare che l'infuso zuccherato e lattiginoso torni nella tazza di caffè, dov'era stato pochi secondi prima. Ma desiderare non funzionerà. Perché, come accennato, la natura tende al caos.

Gli scienziati hanno coniato il termine entropia per questo effetto, una misura del disordine. Nella maggior parte dei casi, se il disturbo aumenta, i processi si svolgono spontaneamente e la via del ritorno all'ordine precedentemente prevalente è bloccata. Guarda la tazza di caffè rovesciata. Anche le centrali termiche, che generano un'enorme nuvola di vapore sopra la loro torre di raffreddamento da una pila ordinata di legna o da un cumulo di carbon fossile, funzionano spinte dall'entropia. Il disturbo aumenta drammaticamente in molti processi di combustione e gli esseri umani ne traggono vantaggio, sfruttando un po' di energia sotto forma di elettricità dal processo in corso per i propri scopi.

L'entropia può stabilizzare qualcosa?

I cristalli sono considerati l'esatto opposto del disordine. In una struttura cristallina, tutti gli elementi del reticolo sono ordinatamente ordinati ravvicinati nel minor volume possibile. Ciò rende l'idea che i cristalli possano essere stabilizzati dalla forza dell'entropia e creare così una nuova classe di materiali ancora più bizzarra.

I materiali stabilizzati entropia sono ancora un campo di ricerca giovane. Nasce nel 2004 con le cosiddette leghe ad alta entropia, miscele di cinque o più elementi che possono essere mescolati tra loro. Se l'impasto ha successo e tutti gli elementi sono distribuiti omogeneamente, a volte emergono proprietà speciali che non derivano dai singoli ingredienti ma dalla loro miscela. Gli scienziati chiamano questi "effetti cocktail".

Anche con il caldo regna il caos

Dal 2015 è noto che anche i cristalli di ceramica possono essere stabilizzati dal "potere del disordine". In questo modo, anche gli elementi sovradimensionati e minuscoli si inseriscono nel cristallo, che normalmente lo distruggerebbe. Il team di ricerca Empa è già riuscito a inserire nove atomi diversi in un cristallo. Il vantaggio è che rimangono stabili anche a temperature elevate, perché "risistemarli" porterebbe a un ordine maggiore. La naturale ricerca del massimo disordine stabilizza così l'insolita struttura cristallina, e quindi l'intero materiale.

"Con un massimo di quattro componenti nel cristallo, tutto è ancora normale; con cinque componenti e più, il mondo cambia", spiega Michael Stuer, ricercatore nel dipartimento High Performance Ceramics dell'Empa. Da quando il ricercatore lussemburghese è entrato a far parte dell'Empa nel 2019, ha lavorato nel campo di ricerca dei cristalli ad alta entropia. "Questa classe di materiali apre per noi una vasta gamma di nuove opportunità", afferma Stuer. "Possiamo stabilizzare cristalli che altrimenti si disintegrerebbero a causa di sollecitazioni interne. E possiamo creare superfici cristalline altamente attive che non sono mai esistite prima e cercare interessanti effetti cocktail."

Insieme alla sua collega Amy Knorpp, Stuer sta ora partendo verso l'ignoto. I due sono specialisti nella produzione di polvere di cristalli fini e hanno colleghi dell'Empa per l'analisi dei raggi X e della superficie per caratterizzare con precisione i campioni che producono. Con il loro aiuto, Michael Stuer ora vuole essere in prima linea sulla scena internazionale. "Il numero di pubblicazioni sull'argomento dei cristalli ad alta entropia è in forte aumento in questo momento. E vogliamo esserci fin dall'inizio", afferma il ricercatore.

Isole della conoscenza

Ciò che serve ora è un approccio sistematico, competenza e una buona dose di perseveranza. Da dove inizi? Che direzione si prende? "Al momento, non esiste una competenza coerente, una panoramica completa di questo nuovo campo di ricerca", afferma Stuer. "Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando a progetti limitati. Quindi stanno emergendo singole isole di conoscenza che dovranno crescere insieme nei prossimi anni."

Michel Stuer e Amy Knorpp si concentrano sui materiali cataliticamente attivi. La reazione chimica a cui sono interessati implica la combinazione di CO₂ e idrogeno per formare metano. L'obiettivo è trasformare un gas serra in un combustibile sostenibile e immagazzinabile. "Sappiamo che CO₂ le molecole si adsorbono particolarmente bene su determinate superfici e che la reazione desiderata avvenga quindi più facilmente e rapidamente", afferma Amy Knorpp. "Ora stiamo cercando di produrre cristalli entropici sulle cui superfici esistono regioni così altamente attive".

Linea di assemblaggio chimica

Per fare progressi più velocemente, i ricercatori hanno costruito uno speciale dispositivo di sintesi con l'aiuto dell'officina dell'Empa, in cui è possibile testare molte miscele chimiche diverse una dopo l'altra, come su una catena di montaggio. Nel "reattore tubolare a flusso segmentato", piccole bolle scorrono attraverso un tubo in cui avviene la rispettiva reazione. Al termine, le bolle vengono svuotate e la polvere in esse contenuta può essere ulteriormente lavorata.

"Il 'Tubular Flow Reactor' ha un enorme vantaggio per noi:tutte le bolle hanno le stesse dimensioni, motivo per cui abbiamo sempre condizioni al contorno ideali e coerenti per le nostre sintesi", spiega Stuer. "Se abbiamo bisogno di quantità maggiori di una miscela particolarmente promettente, produciamo semplicemente diverse bolle con la stessa miscela una dopo l'altra."

Le finestre sul lato destro

La polvere di precursore viene quindi trasformata in cristalli fini della dimensione e forma desiderate attraverso vari processi di essiccazione. "I cristalli sono come case, hanno muri esterni chiusi e alcuni con finestre", spiega Michael Stuer. A volte la forma del cristallo indica già il lato della finestra. Ad esempio, quando una miscela forma cristalli a forma di ago. "I lati lunghi dell'ago sono quelli a bassa energia. Non succede molto lì. I bordi di cristallo sulla punta degli aghi, d'altra parte, sono ad alta energia. È qui che diventa interessante", ha detto Stuer.

Per il loro primo grande progetto, i ricercatori dell'Empa hanno collaborato con i colleghi del Paul Scherrer Institute (PSI). Stanno studiando la possibile metanazione di CO₂ da impianti di biogas e impianti di depurazione in un reattore sperimentale. I ricercatori del PSI hanno già acquisito esperienza con vari catalizzatori e incontrano ripetutamente un problema:il catalizzatore, sulla cui superficie avviene la reazione chimica, si indebolisce nel tempo. Ciò è dovuto al fatto che i componenti di zolfo nel biogas contaminano la superficie o che le superfici del catalizzatore subiscono una trasformazione chimica ad alte temperature.

È qui che i ricercatori stanno cercando una svolta usando i cristalli entropici; dopotutto, questi non si rompono nemmeno alle alte temperature:sono stabilizzati dal caos. "Speriamo che i nostri cristalli durino più a lungo nel processo e possibilmente siano più impermeabili all'inquinamento da zolfo", afferma Stuer.

Disegno di una mappa

Dopodiché, gli specialisti dei cristalli di Empa sono pronti per altre sfide, come batterie ad alte prestazioni, ceramiche superconduttive o catalizzatori per gli scarichi delle auto e altri processi di produzione chimica. "Ci stiamo addentrando in una foresta oscura", dice Amy Knorpp. "Ma abbiamo un'idea in quale direzione potrebbe essere trovato qualcosa. Ora stiamo disegnando una mappa di questi sistemi. Da qualche parte, pensiamo, ci sia uno scrigno di intuizioni nascosto."

La loro recente ricerca è pubblicata su CHIMIA . + Esplora ulteriormente

La teoria prevede un nuovo tipo di legame che assembla i cristalli di nanoparticelle