Gli scienziati infrangono i limiti di temperatura con l'oro surriscaldato, si aprono nuovi orizzonti nella scienza
Un metodo rivoluzionario per misurare la temperatura degli atomi in materiali estremamente caldi sta già cambiando la nostra comprensione del mondo, ribaltando le convinzioni consolidate sul surriscaldamento.
Misurare la temperatura di oggetti molto caldi è difficile. Che si tratti del plasma vorticoso del nostro Sole, delle condizioni estreme nel nucleo dei pianeti o delle forze di compressione all'interno di un reattore a fusione, quella che gli scienziati chiamano "materia calda e densa" può raggiungere centinaia di migliaia di gradi Kelvin.
Sapere con precisione quanto siano caldi questi materiali è fondamentale per i ricercatori per comprendere appieno questi sistemi complessi, ma effettuare tali misurazioni è stato finora praticamente impossibile.
"Disponiamo di buone tecniche per misurare la densità e la pressione di questi sistemi, ma non la temperatura. In questi studi, le temperature vengono sempre stimate con enormi barre di errore, il che è alla base dei nostri modelli teorici. Questo è un problema da decenni."
Ora, per la prima volta, un team di ricercatori riferisce di aver misurato direttamente la temperatura degli atomi in una materia densa e calda. Mentre altri metodi si basano su modelli complessi e difficili da convalidare, questo nuovo metodo misura direttamente la velocità degli atomi e, di conseguenza, la temperatura del sistema.
Il loro metodo innovativo sta già cambiando la nostra comprensione del mondo: in un esperimento per la prima volta, il team ha surriscaldato l'oro massiccio ben oltre il limite teorico, ribaltando inaspettatamente quattro decenni di teorie consolidate.
Portare la temperatura a un nuovo livello
Per quasi un decennio, questo team ha lavorato per sviluppare un metodo che aggirasse le consuete sfide legate alla misurazione delle temperature estreme, in particolare la breve durata delle condizioni che creano queste temperature in laboratorio e la difficoltà di calibrare il modo in cui questi sistemi complessi influenzano altri materiali.
Il team ha quindi inviato un impulso di raggi X ultra-brillanti dalla sorgente di luce coerente Linac (LCLS) attraverso il campione surriscaldato. Man mano che i raggi X si diffondevano dagli atomi in vibrazione, la frequenza cambiava leggermente, rivelando la velocità degli atomi e, di conseguenza, la loro temperatura.
Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density Science dello SLAC e coautore dell'articolo.
Il team è stato entusiasta del successo della dimostrazione di questa tecnica e, analizzando ulteriormente i dati, ha scoperto qualcosa di ancora più entusiasmante. "Siamo rimasti sorpresi nel trovare una temperatura molto più alta in questi solidi surriscaldati di quanto inizialmente previsto, il che smentisce una teoria consolidata degli anni '80", ha affermato White. "Non era il nostro obiettivo iniziale, ma è proprio questo lo scopo della scienza: scoprire cose nuove di cui non si sapeva l'esistenza".
L'oro è stato riscaldato a una temperatura 14 volte superiore al suo punto di fusione
Ogni materiale ha punti di fusione e di ebollizione specifici, che segnano rispettivamente la transizione da solido a liquido e da liquido a gas. Tuttavia, esistono delle eccezioni.
Ad esempio, quando l'acqua viene riscaldata rapidamente in contenitori molto lisci, come un bicchiere d'acqua nel microonde, può "surriscaldarsi", raggiungendo temperature superiori a 100 °C (210 °F) senza effettivamente bollire. Questo accade perché non ci sono superfici ruvide o impurità che possano innescare la formazione di bolle.
Ma questo inganno della natura comporta un rischio maggiore: più un sistema si allontana dai suoi normali punti di fusione ed ebollizione, più diventa vulnerabile a quella che gli scienziati chiamano catastrofe, ovvero un'improvvisa fusione o ebollizione innescata da un lieve cambiamento ambientale. Ad esempio, l'acqua surriscaldata in un forno a microonde bolle in modo esplosivo se agitata, causando potenzialmente gravi ustioni.
In questo studio, il team ha scoperto che l'oro era stato surriscaldato fino a ben 19.000 kelvin, oltre 14 volte il suo punto di fusione e ben oltre la soglia proposta per la catastrofe entropica, pur mantenendo la sua solida struttura cristallina.
Fonte della notizia
Thomas G. White, Travis D. Griffin, Daniel Haden, Hae Ja Lee, Eric Galtier, Eric Cunningham, Dimitri Khaghani, Adrien Descamps, Lennart Wollenweber, Ben Armentrout, Carson Convery, Karen Appel, Luke B. Fletcher, Sebastian Goede, J. B. Hastings, Jeremy Iratcabal, Emma E. McBride, Jacob Molina, Giulio Monaco, Landon Morrison, Hunter Stramel, Sameen Yunus, Ulf Zastrau, Siegfried H. Glenzer, Gianluca Gregori, Dirk O. Gericke & Bob Nagler. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold. Nature (2025).