Fluidi – Dal sistema solare allo smaltimento eco-sostenibile

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. Le applicazioni della ricerca sono di cruciale importanza per lo studio dei corpi celesti, le nano-tecnologie e persino per lo smaltimento dei rifiuti a impatto zero

Una rivoluzionaria scoperta sui fluidi apre la strada alla comprensione del comportamento della materia in particolari condizioni di elevata temperatura e pressione.
Le applicazioni della ricerca sono di cruciale importanza per lo studio dei corpi celesti, le nano-tecnologie e persino per lo smaltimento dei rifiuti a impatto zero.

I ricercatori del dipartimento di Fisica della Sapienza, in collaborazione con Università ed Enti di ricerca internazionali, hanno studiato le proprietà fisiche di quello che comunemente viene definito il quarto stato di aggregazione della materia (oltre a quelli solido, liquido e gassoso).
Finora si riteneva che al di sopra di una certa temperatura e pressione, definite critiche, non si potesse distinguere, per una determinata sostanza fluida, lo stato liquido da quello gassoso, ma che esistesse solo un’unica fase omogenea. I ricercatori hanno mostrato invece che, oltre il punto critico, esistono due sottoregioni, separate dalla cosiddetta linea di Widom, con alcune proprietà fisiche tipiche delle fasi liquida e di quella gassosa. La scoperta potrebbe condurre, in un futuro immediato, a una rivisitazione radicale della termodinamica dei fluidi e del concetto di fluido supercritico, così come definito nei libri di testo scolastici.

Questi risultati, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Physics, si potranno applicare a tutti gli ambiti di ricerca interessati allo studio di fluidi densi caldi.
Per esempio l’anidride carbonica viene comunemente usata dall’industria dello smaltimento dei rifiuti per pulire i filtri molecolari degli inceneritori. Grazie allo straordinario potere solvente il fluido supercritico ha soppiantato i comuni solventi organici responsabili di emissioni dannose per lo strato d’ozono.
Idrogeno ed elio ad alte pressioni e temperature sono i componenti principali dei pianeti giganti del sistema solare come Giove, Saturno, Urano e Nettuno. I risultati della ricerca potrebbero fornire nuovi strumenti per lo studio della struttura e della genesi di questi pianeti e, in ultima analisi, della genesi dell’intero sistema solare.

Supercritici, ma solo di nome

Si definisce come supercritico un particolare stato di aggregazione della materia che si manifesta a determinate temperature e pressioni dette critiche che variano da composto a composto. Temperatura e pressione possono essere prossimi anche a quelli ambientali e rappresentano le condizioni oltre le quali la materia ha la capacità unica di diffondersi attraverso i solidi, come un gas, e di dissolvere i materiali, come un liquido.
Proprio per queste caratteristiche i fluidi supercritici hanno una ampia gamma di applicazioni, permettendo di ottenere prodotti con un altissimo grado di purezza e privi di residui tossici.
Sono impiegati nelle tecniche industriali di estrazione per decaffeinare i chicchi non tostati del caffè, per ricavare il luppolo nella fabbricazione della birra, per ottenere oli essenziali dalle piante per farmaci e prodotti di bellezza, per tingere i tessuti.

La ricerca

Lo studio è stato realizzato con metodi sperimentali e computazionali, in un sistema modello come l’argon nella cosiddetta fase fluida sovracritica. Le condizioni termodinamiche della ricerca sono state di alta temperatura (300 °C) e alte pressioni (1000-40.000 bar).
La parte sperimentale è stata realizzata misurando la velocità di propagazione degli ipersuoni (onde acustiche con lunghezze dell’ordine del nano-metro) attraverso una tecnica assolutamente innovativa basata sulla diffusione di radiazione X da un acceleratore di particelle (sincrotone) a velocità prossima a quella della luce. Questa tecnica è stata messa a punto presso l’European Synchrotron Radiation Facility (Esrf) di Grenoble. Per ottenere invece le pressioni elevate richieste i ricercatori hanno utilizzato la cella ad incudini di diamanti (tecnologia sviluppata presso il Laboratorio europeo di spettroscopie non lineari Lens di Firenze).
I valori della velocità degli ipersuoni sono stati poi anche ottenuti, in parallelo, tramite simulazioni di dinamica molecolare eseguite al calcolatore (National Polytechnic University of Lviv, Ucraina).
Hanno collaborato alla ricerca anche il Cnr, l’Institute for Condensed Matter Physics e la National Academy of Sciences of Ucraine.

(Fonte Università Sapienza)