Nel campo dei dispositivi magnetici, l'uso di materiali ferromagnetici e la comprensione dei fenomeni legati alla resistenza magnetoresistiva sono essenziali. Dispositivi come quelli che impiegano la magnetoresistenza tunneling (TMR) sfruttano l'interazione tra strati ferromagnetici e non magnetici per produrre variabili correnti elettriche sotto l'influenza di un campo magnetico. Quando il dispositivo è esposto a un campo magnetico, la magnetizzazione dello strato libero si allinea con il campo applicato, mentre la magnetizzazione dello strato fisso rimane invariata. Questo comportamento consente la variazione della corrente elettrica che attraversa il dispositivo e viene utilizzata in sensori di angolo di sterzo, dove il movimento del volante cambia la direzione del campo magnetico, influenzando così la corrente elettrica che fluisce attraverso il dispositivo. La variazione di corrente elettrica permette di misurare con precisione l'angolo di rotazione del volante.

L'uso di strati magnetici in dispositivi come il Giant Magnetoresistance (GMR) e il Tunnelling Magnetoresistance (TMR) ha rivelato un ampio campo di applicazioni pratiche. In questi dispositivi, uno degli strati ha la magnetizzazione fissa, mentre l'altro strato, quello libero, può alterare la propria direzione di magnetizzazione sotto l'effetto di un campo magnetico applicato. L'interazione tra questi strati consente l'uso di tali tecnologie nei sensori, offrendo una misurazione precisa dei cambiamenti di angolo.

La resistenza magnetoresistiva gigante (GMR) e il fenomeno della magnetoresistenza colossale (CMR) sono stati studiati a fondo in materiali come i manganiti perovskiti drogati, come il La1-xCaxMnO3. Tali composti presentano cambiamenti resistivi che variano su ordini di grandezza quando sono sottoposti a forti campi magnetici. La struttura di questi materiali si basa su un reticolo perovskitico dove gli ioni del manganese interagiscono tra loro tramite meccanismi di scambio magnetico, come il doppio scambio che si verifica tra ioni Mn3+ e Mn4+ e gli orbitali 2p di ossigeno. A basse temperature, questi composti possono esibire caratteristiche di metalli ferromagnetici con una forte dipendenza dalla temperatura. Quando la temperatura supera il punto di Curie, questi materiali diventano paramagnetici, mostrando un aumento significativo della resistenza elettrica. La magnetoresistenza colossale (CMR) si verifica in questo intervallo di temperatura e consente la manipolazione della resistenza elettrica attraverso l'applicazione di un campo magnetico forte.

Un aspetto cruciale da considerare in questi materiali è la connessione tra la magnetoresistenza e le applicazioni in dispositivi come i sensori di posizione e di movimento. L'adozione di queste tecnologie ha permesso lo sviluppo di sensori altamente sensibili e precisi per misurare l'orientamento e l'angolo di rotazione in sistemi complessi.

Il fenomeno della superconduzione offre un altro esempio di come le proprietà magnetiche possano interagire con le caratteristiche elettriche dei materiali. Quando un materiale superconduttore viene raffreddato sotto la sua temperatura critica (TC), espelle completamente il flusso magnetico al suo interno, un fenomeno noto come effetto Meissner. Questo comportamento implica che un superconduttore sia un perfetto diamagnetico, capace di respingere un magnete. Tuttavia, quando un campo magnetico viene applicato, il superconduttore espelle il flusso magnetico, mostrando un comportamento di levitazione quando un magnete fluttua sopra di esso. A temperature superiori alla TC, i superconduttori diventano paramagnetici, mostrando una resistenza elettrica maggiore. La temperatura critica può variare in presenza di un campo magnetico esterno, riducendo la temperatura critica man mano che l'intensità del campo aumenta.

Esistono due tipi principali di superconduttori: il Tipo I e il Tipo II. I superconduttori di Tipo I sono metalli puri che hanno un campo critico unico, sopra il quale cessano di essere superconduttori. I superconduttori di Tipo II, che comprendono leghe e superconduttori ad alta temperatura critica, consentono una certa penetrazione del campo magnetico fino a un campo critico inferiore (HC1), ma diventano normali solo quando il campo supera un altro valore critico più alto (HC2). I superconduttori di Tipo II sono generalmente più resistenti a campi magnetici elevati e presentano temperature critiche più alte.

Un'altra caratteristica importante nei superconduttori è la corrente critica, oltre la quale il materiale perde le sue proprietà di superconduzione. Questo effetto è noto come effetto Silsbee e dipende dalla geometria e dalla natura del campione, e quindi è cruciale determinare la corrente massima che il materiale può sostenere senza compromettere la superconduzione.

Per concludere, i materiali magnetici e superconduttori sono fondamentali per una vasta gamma di applicazioni tecnologiche, dai sensori precisi alla manipolazione avanzata della corrente elettrica in dispositivi altamente sensibili. Le proprietà magnetiche, come la resistenza magnetoresistiva e l'effetto Meissner, sono centrali nella progettazione e nell'ottimizzazione di questi dispositivi. Comprendere come il campo magnetico interagisce con i materiali e come le loro proprietà elettriche possano essere controllate è essenziale per il futuro dello sviluppo tecnologico in molteplici settori.

Quali sono le caratteristiche e le applicazioni principali delle nanostrutture di carbonio come il nero di carbone, il grafene, i fullerene e i nanotubi di carbonio?

Il nero di carbone è una polvere fine costituita da nanoparticelle di carbonio amorfo, caratterizzata da un basso contenuto di impurità rispetto ad altre polveri simili come il fumo. La produzione mondiale di nero di carbone raggiunge circa 8 milioni di tonnellate all’anno. Questo materiale trova impiego come agente rinforzante in prodotti di gomma, in particolare nei pneumatici, dove l’aggiunta di nero di carbone migliora la resistenza alla trazione e all’usura; particelle di dimensioni inferiori a 20 nanometri sono particolarmente efficaci. Inoltre, è usato come pigmento nero in inchiostri da stampa, vernici, plastiche, nei toner per fotocopiatrici e negli elettrodi di batterie e spazzole per motori.

Il grafene rappresenta un materiale rivoluzionario: consiste in uno strato singolo di atomi di carbonio, una forma bidimensionale di grafite. Isolato per la prima volta da Andre Geim e Konstantin Novoselov nel 2004, che hanno meritato il Nobel per la Fisica nel 2010, il grafene ha proprietà straordinarie. È più resistente dell’acciaio, con una forza di rottura circa 200 volte superiore, ma estremamente flessibile. Le sue proprietà elettroniche sono insolite: è un conduttore elettrico trasparente, con una velocità costante di conduzione degli elettroni di circa 10^6 m/s, e presenta un’elevata conducibilità termica. Queste caratteristiche lo rendono candidato ideale per sostituire l’ossido di indio e stagno (ITO) nei touchscreen e nei pannelli solari, oltre che per applicazioni in filtri per l’acqua, sensori ultrasensibili, dispositivi per il rilascio mirato di farmaci, batterie e supercondensatori.

Un aspetto interessante del grafene emerge quando due strati vengono sovrapposti con un leggero angolo di rotazione, dando origine a un grafene bilayer “twistato”. Questo sistema mostra proprietà che includono stati isolanti, superconduttori e addirittura comportamenti ferromagnetici a seconda dell’angolo di sovrapposizione, fenomeni analoghi a quelli osservati nei superconduttori di tipo cuprato.

Il grafene ossido, ottenuto dall’ossidazione della grafite, è caratterizzato dall’espansione dello spazio tra gli strati e dall’aggiunta di gruppi funzionali come carbonile, epossido e idrossido. Questo materiale può essere separato in soluzioni acquose tramite sonificazione e ridotto a grafene tramite metodi termici, chimici o elettrochimici, rappresentando una possibile via per la produzione su scala più ampia del grafene stesso.

I fullerene, scoperti nel 1985 da Kroto, Curl e Smalley, sono molecole sferiche di carbonio composte da 60 atomi (C60) organizzati come un pallone da calcio, con 12 pentagoni e 20 esagoni. Queste molecole simmetriche, denominate buckyballs, mostrano un legame del carbonio simile a quello della grafite e possono formare cristalli compatti. I fullerene sono studiati per applicazioni in dispositivi elettronici e persino in terapie oncologiche mirate. I sali di fullerene con metalli alcalini, detti buckidi, mostrano proprietà metalliche e possono diventare superconduttori a temperature relativamente alte, fino a 33 K per il composto Cs2RbC60.

I nanotubi di carbonio (CNT), scoperti nel 1991 da Sumio Iijima, sono cilindri formati da fogli di grafene arrotolati. Possono essere a parete singola (SWNT) o multipla (MWNT) e hanno dimensioni nanometriche con diametri di circa 1 nm e lunghezze nell’ordine di micron. I CNT sono prodotti in grandi quantità mediante metodi come la scarica ad arco o l’ablazione laser, spesso con catalizzatori metallici quali Fe, Ni o Co. Questi nanotubi possiedono proprietà meccaniche ed elettroniche eccezionali e trovano impiego in numerosi campi dall’elettronica ai materiali compositi.

Oltre alle proprietà meccaniche ed elettroniche, è fondamentale considerare l’interazione di questi materiali nanostrutturati con l’ambiente e la loro tossicità potenziale, nonché le sfide tecnologiche legate alla loro produzione controllata e alla scalabilità industriale. La manipolazione atomica e le modifiche chimiche permettono di adattarne le caratteristiche per applicazioni specifiche, aprendo la strada a innovazioni nei settori energetico, medico e ambientale.

Cosa rende i materiali semiconduttori così straordinari?

Tra le infinite forme cristalline e strutture reticolari esistenti, i materiali semiconduttori occupano un posto centrale per via della loro versatilità elettronica e delle loro sorprendenti proprietà quantistiche. La distinzione fondamentale tra semiconduttori di tipo n e di tipo p nasce da una manipolazione intenzionale della loro struttura elettronica attraverso il drogaggio: un processo che introduce imperfezioni controllate nel reticolo cristallino. Queste imperfezioni—che possono essere considerate come difetti di carica positivi (lacune) o negativi (elettroni in eccesso)—conferiscono al materiale capacità di conduzione selettiva e regolabile.

Questa regolazione non è solo teorica: è ciò che permette la realizzazione di giunzioni p-n, transistor, LED e celle solari, e ciò che rende possibile l'elettronica moderna. Il drogaggio produce semiconduttori estrinseci, distinti da quelli intrinseci, i quali conducono in modo limitato per via di eccitazioni termiche. Il comportamento elettronico risultante viene descritto da funzioni d'onda quantistiche, la cui evoluzione è determinata dall’equazione di Schrödinger. In molti casi, l’approssimazione tight-binding si rivela utile per modellare gli stati elettronici localizzati in reticoli periodici.

Nelle giunzioni tra materiali differenti, emergono effetti di confinamento quantistico, come nei quantum dots o nei quantum wells, dove la dimensione del materiale è paragonabile alla lunghezza d'onda di de Broglie degli elettroni. In tali condizioni, la densità degli stati cambia in maniera discreta e la risposta ottica o elettrica può essere sintonizzata con precisione atomica.

I cristalli di silicio, germanio, arseniuro di gallio e materiali III-V e II-VI mostrano configurazioni elettroniche complesse e proprietà di banda diretta o indiretta, determinanti per applicazioni optoelettroniche. Il drogaggio, oltre a regolare la conducibilità, influenza profondamente il meccanismo di trasporto: effetto Hall, scattering di Rayleigh e conduzione per hopping sono solo alcune delle dinamiche che entrano in gioco.

I semiconduttori possono inoltre presentare fenomeni di paramagnetismo, polarizzazione remanente, effetto Seebeck o effetto Peltier, e in condizioni estreme, diventare superconduttori o mostrare superparamagnetismo. L’introduzione di materiali come il polipirrolo, il polivinilidenfluoruro (PVDF), il politiofene o i perovskiti ibridi, amplia il campo verso dispositivi flessibili, trasparenti o autoalimentati.

La simmetria del reticolo, descritta tramite gruppi spaziali e assi di rotazione, non è solo una curiosità geometrica: determina le bande proibite, le transizioni ottiche permesse e il comportamento meccanico alle deformazioni piezoelettriche o piroelettriche. Le imperfezioni del reticolo, come vacanze, dislocazioni a vite, difetti Schottky o Frenkel, agiscono come centri di ricombinazione o trappole per portatori di carica, influenzando direttamente la durata della vita dei portatori minoritari.

Le tecniche analitiche utilizzate per investigare queste strutture comprendono diffrazione a raggi X, funzione di Patterson, imaging Z-contrast e microscopia elettronica a trasmissione (TEM/STEM), spesso accompagnate da spettroscopie XANES e analisi dell’indice di rifrazione, fondamentale per fotonica e ottoelettronica.

Nei materiali nanostrutturati, come i nanotubi a parete singola (SWNT), la curvatura induce modifiche nella densità degli stati, con conseguente apparizione di singolarità di van Hove. In questi sistemi, le leggi di selezione governano le transizioni elettroniche, che possono essere studi

Quali sono le caratteristiche strutturali e le proprietà dei solidi covalenti estesi e molecolari?

Il modello che considera gli ioni come sfere rigide è una semplificazione che si rivela spesso insufficiente, soprattutto quando si affrontano ioni polarizzabili. Per esempio, nel caso del cloruro di sodio, il rapporto tra i raggi ionici (Na⁺ = 116 pm, Cl⁻ = 167 pm) calcolato come circa 0,695 corrisponde alla coordinazione ottaedrica tipica della struttura del sale da cucina, confermando in modo approssimato il tipo di struttura atteso.

Tuttavia, molte sostanze che vengono comunemente classificate come “ioniche” mostrano un certo grado di covalenze nei loro legami. Man mano che la carica dell’ione aumenta, la natura del legame tende a spostarsi verso una maggiore covalenza. Gli elementi di mezzo del blocco p della tavola periodica formano spesso strutture covalenti estese, in cui gli atomi sono legati in modo continuo e tridimensionale, anziché in unità discrete tenute insieme solo da forze deboli. Gli esempi più noti includono il carbonio (diamante e grafite), il silicio, il germanio, il fosforo, l’arsenico, il selenio e il tellurio.

Il diamante, struttura allotropica del carbonio, rappresenta un esempio paradigmatico di un reticolo covalente esteso. La sua struttura cristallina è fcc, con ciascun atomo di carbonio tetraedricamente coordinato a quattro altri atomi, formando una molecola gigante con legami covalenti uniformi di circa 154 pm. Questo reticolo conferisce al diamante la sua durezza estrema e l’alto punto di fusione, circa 3773 K. Analogamente, il carburo di silicio (SiC), detto carborundum, adotta la stessa struttura ma con atomi di silicio e carbonio alternati, risultando in un materiale altrettanto duro e utilizzato per levigare e lucidare.

Le diverse forme di biossido di silicio (SiO₂), come quarzo e cristobalite, mostrano strutture covalenti estese basate su tetraedri di SiO₄ interconnessi. Il quarzo, in particolare, presenta una struttura dove i tetraedri sono collegati tramite ossigeno, il quale agisce come ponte condiviso tra due tetraedri, con una coordinazione che riflette la valenza di silicio (quattro legami) e ossigeno (due legami). Questa rete tetraedrica può formare eliche destrorse o sinistrorse, chiamate enantiomeri, conferendo al quarzo proprietà fisiche insolite.

Il grafite costituisce un caso distinto: la sua struttura è bidimensionale, composta da strati di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. All’interno degli strati, ogni atomo di carbonio è legato a tre altri attraverso legami covalenti più corti di quelli del diamante, a causa della presenza di legami parzialmente doppi e di una sovrapposizione π che crea legami delocalizzati, simili a quelli del benzene. Gli strati sono separati da circa 340 pm e tenuti insieme da forze deboli di van der Waals, consentendo loro di scivolare l’uno sull’altro con facilità, fenomeno che spiega la morbidezza del grafite. Nonostante la sua conducibilità elettrica elevata lungo gli strati, il grafite è un cattivo conduttore nella direzione perpendicolare a essi. L’uso del grafite come lubrificante è attribuito non tanto alla capacità degli strati di scorrere, ma piuttosto alla presenza di uno strato di azoto adsorbito che facilita tale proprietà; questa scompare in condizioni estreme di temperatura o pressione.

Le strutture molecolari cristalline, in cui piccole molecole discrete sono tenute insieme da forze deboli come le van der Waals o i legami a idrogeno, rappresentano una categoria diversa rispetto ai reticoli covalenti estesi. Un esempio classico è il biossido di carbonio solido (ghiaccio secco), dove le molecole di CO₂ rimangono intatte all’interno della cella unitaria, aggregate tramite forze intermolecolari. Allo stesso modo, il ghiaccio è formato da molecole d’acqua che si legano mediante legami a idrogeno: ogni molecola può formare fino a quattro legami, creando una rete tridimensionale aperta. Questa struttura rende il ghiaccio meno denso dell’acqua liquida, permettendogli di galleggiare. La varietà delle forme di ghiaccio (19 note fino al 2020) è il risultato della flessibilità e della complessità del sistema di legami a idrogeno.

È fondamentale comprendere che la natura e la forza dei legami chimici determinano direttamente la geometria, la stabilità e le proprietà fisiche dei solidi. La covalenza, la polarizzabilità degli ioni, la dimensione relativa degli ioni e la presenza di legami deboli influenzano la formazione delle strutture cristalline e quindi il comportamento macroscopico del materiale. La coordinazione degli atomi non è arbitraria, ma riflette l’equilibrio tra forze di attrazione e repulsione, la compatibilità geometrica e la natura elettronica degli elementi coinvolti. Inoltre, la distinzione tra strutture covalenti estese e molecolari è importante per capire proprietà come la durezza, la conducibilità elettrica, il punto di fusione e la densità, che variano ampiamente in base a queste caratteristiche.

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