Uno studio ora pubblicato su Nature Communications porta notevoli intuizioni sul comportamento enigmatico dei fluidi supercritici, uno stato ibrido della materia che occupa uno spazio unico tra liquidi e gas e che nasce in ambiti che vanno dall’industria farmaceutica alla scienza planetaria. I risultati ottenuti sono al limite delle attuali possibilità sperimentali e potrebbero essere ottenuti solo in una sorgente di neutroni ad alto flusso come l'Institut Laue-Langevin (ILL).
Una sostanza liquida o gassosa spinta oltre il suo punto critico (cioè oltre la temperatura e la pressione alle quali non è più possibile fare la distinzione tra liquido e gas) è chiamata fluido supercritico. Ancora poco conosciuti e che sfidano le classificazioni convenzionali, i fluidi supercritici possiedono la capacità di diffondersi come un gas dissolvendo i materiali come un liquido.
Questa dualità li ha resi preziosi in una miriade di applicazioni industriali, dalla lavorazione farmaceutica alla decaffeinizzazione dei chicchi di caffè. D'altra parte, sono cruciali per comprendere i pianeti giganti come Giove e Nettuno, dove possono regnare stati della materia simili.
Un team internazionale di ricercatori dell’Università La Sapienza (Roma, Italia), ILL (Grenoble, Francia), Ecole Polytechnique Federal (Losanna, Svizzera), CNRS (Francia) e CNR (Italia) ha ottenuto la prova sperimentale che la diffusione molecolare in un superfluido passa da gassosa da un comportamento simile a quello di un liquido attraverso la cosiddetta linea di Widom (una linea termodinamica che estende la curva del vapore saturo sopra il punto critico). La transizione è graduale entro un intervallo di pressione ristretto.
Il team ha studiato la diffusione delle molecole all'interno di un fluido supercritico – un parametro cruciale che riflette la mobilità delle molecole all'interno del fluido – con una domanda fondamentale in mente:possiamo individuare una regione di pressione-temperatura in cui il comportamento di un fluido supercritico va dal gas -da tipo a liquido? Sebbene i modelli teorici abbiano proposto vari limiti di transizione di questo tipo (tra cui la linea Widom), la validazione sperimentale è rimasta, fino ad ora, sfuggente.
Questo risultato è stato ottenuto attraverso esperimenti impegnativi di scattering quasi elastico di neutroni (QENS) ad alta pressione sul metano supercritico condotti presso l'ILL, a Grenoble. All'ILL, i neutroni vengono utilizzati per esplorare materiali e processi in tutti i modi possibili in una gamma molto ampia di settori.
In questo studio, un fascio di neutroni è stato inviato su una cella contenente metano in condizioni supercritiche. L’intensità del fascio di neutroni diffuso dal campione è stata misurata in funzione dell’energia scambiata nell’intervallo di interesse (cioè nell’intervallo di energie in cui si verificano fenomeni di diffusione molecolare all’interno della materia, il cosiddetto regime quasi elastico). /P>
Le misurazioni sono avvenute a temperatura costante T=200 K (sopra la T critica=190 K) variando la pressione del metano da pochi bar fino a pressioni molto elevate (raggiungendo quasi 3 Kbar; la pressione critica è P=45 bar) . Gli esperimenti sono stati condotti sullo strumento ILL IN6-SHARP.
Gli autori sottolineano l'evidenza sperimentale di straordinaria chiarezza:"Mentre a pressioni inferiori a circa 50 bar si osserva il segnale della dinamica diffusiva tipica dei sistemi gassosi, abbiamo potuto osservare che all'aumentare della pressione al di sopra di tale pressione, il segnale evolve progressivamente fino a assume la forma tipica dei liquidi," spiega l'autore Alessio De Francesco (ricercatore CNR e ILL).
Il risultato è stato reso possibile grazie alla sorgente di neutroni ad alto flusso e alle esclusive strutture di supporto sperimentale disponibili presso l'ILL. "Queste misurazioni sono ai limiti delle attuali possibilità sperimentali, ed erano impensabili fino a pochi anni fa", aggiunge Ferdinando Formisano (ricercatore CNR e ILL).
"Come spesso accade nella ricerca, aver aperto una porta significa vedere nuove strade da esplorare, e questo obiettivo può essere perseguito solo grazie all'accesso a grandi strutture di ricerca."
