Quali sono i materiali superconduttori?

Nel film Avatar, il minerale superconduttore "Unobtanium" sul pianeta Pandora lascia stupefatti. Grazie alle sue proprietà superconduttrici, questo minerale permette a imponenti montagne "Hallelujah" di fluttuire leggermente nel cielo. Nel mondo scientifico, i materiali superconduttori sono come pietre magiche, dotati di superpoteri che sfidano le leggi convenzionali.

Cosa sono i superconduttori?

Un superconduttore è un materiale che possiede due caratteristiche principali: quando raggiunge specifiche condizioni di temperatura e campo magnetico, la sua resistenza elettrica scompare completamente ed espelle completamente il campo magnetico dal suo interno.

Perché avviene questo fenomeno?

La teoria ampiamente accettata dagli scienziati è la teoria BCS. In parole semplici, quando un metallo conduce elettricità, le collisioni tra le particelle causano una perdita di energia, e più alta è la temperatura, maggiore è la perdita di energia, cioè maggiore è la resistenza. Quando la temperatura scende al di sotto di una certa soglia, il movimento termico delle particelle diventa trascurabile. A questo punto, quando un elettrone si muove attraverso il reticolo, può attrarre gli ioni positivi circostanti, creando a sua volta un’attrazione per un altro elettrone, facendo sì che i due elettroni si accoppino formando una "Coppia di Cooper". La forza che lega le Coppie di Cooper è molto debole e il movimento termico può facilmente distruggerla. Tuttavia, una volta formate, gli elettroni, che normalmente sono fermioni, acquisiscono caratteristiche bosoniche, permettendo loro di occupare lo stesso stato di energia minima. In questa condizione, gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale senza alcuna perdita di energia, il che costituisce il fenomeno della superconduttività.

Naturalmente, la teoria BCS si applica principalmente alla spiegazione dei superconduttori convenzionali di tipo I a basse temperature. I meccanismi alla base di molti superconduttori non convenzionali rimangono ancora in gran parte sconosciuti.

Quali tipi di superconduttori esistono?

Materiali superconduttori a bassa temperatura (LTS)

I materiali superconduttori a bassa temperatura sono stati i primi a essere commercializzati e ampiamente utilizzati. Richiedono temperature estremamente basse, ottenute con elio liquido, per raggiungere lo stato superconduttivo.

I fili superconduttori in NbTi (Nibio-Titanio) detengono la quota di mercato più ampia tra i materiali superconduttori, rappresentando oltre il 90% del mercato globale. Grazie alle loro eccellenti proprietà superconduttrici in campi magnetici da medi a bassi, alla buona lavorabilità meccanica e al vantaggio in termini di costi, sono il materiale fondamentale per la creazione di magneti superconduttori in sistemi di imaging a risonanza magnetica (MRI).

Rispetto alla lega NbTi, il Nb₃Sn (Nibio-Stagno, Tc=18 K) può mantenere la superconduttività a temperature più elevate e in campi magnetici più intensi. Per questo motivo, viene utilizzato in progetti scientifici e apparecchiature di ricerca avanzata che richiedono la generazione di campi magnetici molto forti.

Materiali superconduttori ad alta temperatura (HTS)

I materiali superconduttori ad alta temperatura hanno una temperatura critica relativamente più elevata e possono operare nell’azoto liquido, che è molto più economico dell’elio, offrendo quindi prospettive applicative più ampie.

Questa categoria include principalmente nastri superconduttori in ossido di rame come quelli al Bismuto (BSCCO) e all’Itterbio (YBCO). Sono ampiamente utilizzati in cavi superconduttori, riscaldamento a induzione superconduttore, ecc. Recentemente, la tecnologia del riscaldamento a induzione superconduttore ad alta temperatura ha fatto passi da gigante: i dispositivi offrono un’efficienza energetica significativamente superiore rispetto ai forni a frequenza industriale tradizionali, con un drastico calo del consumo di energia per tonnellata di materiale, e la loro industrializzazione sta accelerando.

Allo stesso tempo, i nastri di seconda generazione basati su materiali HTS hanno iniziato la fornitura industriale per alcune apparecchiature di lavorazione a caldo, segnando il passaggio della tecnologia HTS dalla fase di ricerca e sviluppo a quella di applicazione su larga scala.

Materiali superconduttori a temperatura intermedia

Il diboruro di magnesio (MgB₂) è un materiale superconduttore emergente, caratterizzato da una struttura semplice e costi delle materie prime relativamente bassi. Ha un potenziale applicativo in sistemi di risonanza magnetica, cavi speciali, generatori eolici, ecc. Attualmente, i sistemi MRI medici aperti basati su questo materiale si stanno avviando verso la commercializzazione.

Stanford Advanced Materials (SAM) offre materiali con proprietà superconduttive, tra cui lega di Niobio-Titanio (NbTi), Nb₃Sn, BSCCO e Diboruro di Magnesio (MgB₂).

La famiglia dei materiali superconduttori è quindi diversificata. Dai superconduttori a bassa temperatura, una tecnologia matura, a quelli a temperatura intermedia e ad alta temperatura in rapido sviluppo, essi pongono collettivamente le basi materiali cruciali per le tecnologie d’avanguardia future e per l’aggiornamento industriale.

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