Cristalli

Anche quando fuori sembrano irregolari,
al loro interno seguono
precise leggi geometriche

Nascono nel cuore della Terra, ma anche nell’aria, nell’acqua e, da qualche decennio, nei laboratori.
Perché i cristalli, da sempre ammirati per la loro bellezza e usati come ornamenti, oggi sono diventati indispensabili per la tecnologia.

I cristalli di silicio (l’elemento più comune sulla Terra dopo l’ossigeno) servono per esempio per costruire i microchip presenti nei computer, negli elettrodomestici, nei telefonini.
Un’industria gigantesca: il fatturato della sola Intel, azienda leader nel settore microchip, è stato nel 2000 di ben 33 miliardi di dollari (circa 70 mila miliardi di lire). Dieci volte il fatturato delle aziende produttrici di diamanti.
E circa 3 volte il giro d’affari di tutte le pietre preziose nel mondo.

QUESTIONE DI RISPARMIO

Ma che cosa accomuna un fiocco di neve, un rubino e un complicatissimo circuito integrato?
Il fatto che gli atomi di questi materiali sono disposti in modo ordinato e regolare.

Ciò può sorprendere, perché sappiamo che nei nostri corpi gli atomi si organizzano in maniera complicata per formare cellule e tessuti.
Ma nel mondo minerale, gli atomi cercano di stare il più possibile l’uno vicino all’altro per "risparmiare" energia.
Ed è per questo che si dispongono in modo ordinato, secondo precise strutture geometriche, un po’ come le bottiglie accatastate in una cantina.

Anche molti metalli hanno questa caratteristica, così come alcune forme di ghiaccio, tra cui i fiocchi di neve.
Non tutti i solidi, però, sono cristallini: esistono anche materiali "amorfi" (spesso composti da molecole complesse) nei quali la posizione degli atomi non rispetta alcuna regolarità.

Qualche esempio? La plastica, la gomma, il catrame, l’acciaio, il ghiaccio comune, il vetro.., e anche i famosi "cristalli" di Boemia, che sono semplici vetri arricchiti con piombo.

Una curiosità: anche forme di vita semplici, tra cui alcuni virus, hanno struttura cristallina. E i cristalli stessi hanno, a modo loro, una vita: nascono, crescono, talvolta cambiano e muoiono.

I PRIMI "GERMI"

Teofrasto, allievo di Aristotele, credeva che i cristalli si riproducessero per mezzo di semi, come gli animali e le piante.
Ridicolo? Non tanto, perché i cristalli si formano proprio a partire da un liquido, o un gas, che solidifica intorno a germi, o nuclei, di condensazione: particelle solide (la neve, per esempio, si può formare attorno a grani di polvere) o grumi di materiale che si è spontaneamente condensato.

Ciò è vero sia per le gemme, che si formano dal raffreddamento del magma, sia per i fiocchi di neve, sia per i cristalli artificiali, prodotti a partire da minicristalli inseriti nel materiale fuso.

Se la solidificazione è lenta e i nuclei di condensazione pochi, allora si formano cristalli che possono anche raggiungere alcuni metri di lunghezza (come nella "Cueva de los cristales", in Messico).
Altrimenti il risultato finale è un solido amorfo (come l’ossidiana) o policristallino, ossia creato da molti microcristalli (come il granito).

CRESCITA CONTROLLATA

Quelli che nascono nelle condizioni più estreme sono i diamanti.
Per formarsi, hanno bisogno di 900-1200° centigradi e una pressione di 45-60 mila atmosfere, condizioni che, sulla Terra, si presentano a 150-200 km di profondità.

Ma sui pianeti gassosi come Urano e Nettuno potrebbero addirittura presentarsi nella atmosfera. una volta formatisi, i diamanti cadrebbero come grandine verso il pianeta.

Devono i loro colori all’impercettibile presenza
di pochi atomi estranei

Nell’accezione comune, i cristalli sono solidi (spesso trasparenti) con forma poliedrica.
Ciò è dovuto al fatto che, in questi materiali, l’embrione iniziale cresce a velocità diverse in diverse direzioni.

In laboratorio è oggi possibile controllare la crescita di un cristallo con una precisione irraggiungibile in natura.

Tanto da creare strutture quasi a 2 dimensioni: "lastre" dello spessore di pochi atomi. Le applicazioni pratiche? Al momento, gran parte dei laser per le telecomunicazioni a fibre ottiche e per la lettura dei CD è costituito da sistemi bidimensionali.

Ma sono le industrie di microchip a produrre i cristalli più puri in assoluto. I loro cristalli di silicio sono praticamente perfetti. La probabilità di trovare un’imperfezione è di appena una su 100 miliardi.

Anche se poi si devono aggiungere apposta (nei punti giusti) moltissime "impurezze" per modificare in modo opportuno le proprietà elettriche del cristallo.

RADIOGRAFIE

Ma come si fa a vedere come sono fatti dentro i cristalli? Come per gli esseri umani, si usano i raggi X, ma in modo un po’ diverso.

I raggi X, infatti, sono radiazioni elettromagnetiche come la luce, ma con una lunghezza d’onda più piccola, paragonabile alle dimensioni atomiche: attraversando il cristallo, essi vengono "diffratti".

Subiscono cioè una serie di riflessioni che deflettono parte del raggio incidente in alcune direzioni specifiche. I raggi diffratti formano, su una lastra fotosensibile, un insieme di punti luminosi che, come un’impronta digitale, identifica una delle
230 configurazioni geometriche ordinate esistenti, a loro volta divise in 7 classi.

TANTE FAMIGLIE

Proprio la geometria interna determina le proprietà fisiche dei cristalli. Il diamante e la grafite, per esempio, sono entrambi cristalli di carbonio, ma molto diversi tra loro.

Nel primo caso, gli atomi occupano i vertici di tetraedri (piramidi regolari) che riempiono lo spazio, mentre nella grafite si dispongono ai vertici di esagoni, come le piastrelle di un pavimento: è per questo che la grafite si sfalda facilmente (nella direzione dei piani) e il diamante no.

Grazie ai raggi X si scoprì, inoltre, che non solo i solidi dall’aspetto regolare come la calcite hanno una struttura atomica ordinata, ma anche molti altri, come i metalli.

Oggi i cristalli sono suddivisi in 3 classi: isolanti, semiconduttori e metalli.

Gli isolanti, come il quarzo e il diamante, non conducono l’elettricità, si rompono senza deformarsi (come il vetro) e sono trasparenti.

I semiconduttori, come il silicio, sono molto simili agli isolanti, ma conducono un po’ meglio l’elettricità e ci appaiono opachi... in realtà, se i nostri occhi percepissero gli infrarossi, anche il silicio ci apparirebbe trasparente e di "colore infrarosso".

I metalli, infine, non sono trasparenti a nessuna frequenza e formano una classe a sé.

DI TUTTI I COLORI

Sia chiaro che i cristalli hanno una struttura regolare, ma non priva di imperfezioni. Anzi, molti cristalli devono la loro bellezza proprio alle impurezze.

Ce n’è di tutti i tipi: punti in cui manca un atomo o ce n’è uno di troppo, linee e piani in cui la struttura cristallina si "spezza" e, soprattutto, atomi di elementi diversi che rimpiazzano gli atomi originali.

Questo tipo di impurità dà ai cristalli il caratteristico colore, perché li rende capaci di assorbire la luce che li attraversa a eccezione di una particolare componente.

Per esempio, il quarzo è trasparente, ma diventa giallo se contiene atomi di ferro (topazio), e marrone se invece contiene alluminio (fumé).
Il cromo, addirittura, dà allo smeraldo il caratteristico colore verde ma è anche responsabile del rosso del rubino.

Le impurità possono anche aumentare la conducibilità elettrica del cristallo.
Questo fenomeno viene usato nella tecnologia del silicio per creare i minuscoli (0,2 millesimi di mm) interruttori che, accendendosi e spegnendosi, eseguono le operazioni logiche necessarie a far funzionare i microchip.

COME MUOIONO

I cristalli possono durare moltissimi anni, tanto da sembrare eterni. Il più antico che si conosca è un cristallo di zircone trovato in Australia una ventina d’anni fa.
Ha 4,4 miliardi di anni: lo si sta studiando per ricostruire le condizioni in cui si trovava la Terra appena nata.

Anche se vivono tanto a lungo, però, i cristalli non sono eterni.
Alcuni si sciolgono, come il sale nell’acqua. Altri si frammentano in pezzi sempre più piccoli, altri ancora arrugginiscono.
I circuiti integrati si deteriorano a causa delle correnti elettriche che li percorrono.
E perfino il diamante può bruciare o sciogliersi alla temperatura del ferro rovente.

Un po’ meglio fa il carbonitruro di boro cubico, un nuovissimo materiale prodotto a 1,8 milioni di atmosfere presso l’Istituto per i materiali ultraduri in Ucraina. è appena meno duro del diamante, ma molto più resistente alle alte temperature e alle reazioni chimiche: non sarà eterno, ma è probabilmente il materiale più resistente sulla faccia della Terra.

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