I solidi più leggeri e il segreto della loro leggerezza
Quando si immagina un materiale estremamente leggero, la mente corre subito agli elementi chimici più leggeri, come l’elio o l’idrogeno. Tuttavia, la leggerezza estrema non dipende solo dalla massa atomica, ma soprattutto dalla struttura interna del materiale. È qui che entrano in gioco aerogel, MOF e persino la comune pomice.
La pomice: roccia vulcanica che galleggia
Durante alcune eruzioni, i vulcani rilasciano rocce che riescono a galleggiare sull’acqua. Questo accade perché queste pietre, come la pomice, sono piene di cavità d’aria. Anche se composte da sostanze pesanti come il basalto, la bassa densità dovuta ai pori le rende incredibilmente leggere. In alcuni casi, formano addirittura zattere naturali che si muovono con le correnti oceaniche.
Aerogel: solidi di aria e tecnologia
Gli aerogel sono considerati tra i materiali solidi più leggeri mai creati. Nati da una scommessa sulla possibilità di rimuovere il liquido da un gel senza farlo collassare, questi materiali sono composti fino al 99% di aria in volume. Il processo richiede tecniche avanzate come l’essiccazione supercritica o la liofilizzazione, che consentono di sostituire il liquido con un gas mantenendo la struttura solida.
L’aerographene, un particolare tipo di aerogel a base di grafene, è uno dei materiali meno densi mai registrati. Ma non è solo la leggerezza a renderlo interessante. Gli aerogel sono anche eccellenti isolanti termici e acustici, poiché l’aria intrappolata in micro-celle non consente la conduzione o la convezione del calore.
Un esempio sorprendente è l’aerogel d’oro, che pur essendo costituito da un metallo estremamente pesante, riesce a galleggiare sull’acqua grazie alla sua struttura quasi interamente vuota. La combinazione tra massa ridotta e proprietà chimiche lo rende adatto anche come catalizzatore in processi industriali.
Dalla Terra allo spazio: aerogel per l’esplorazione spaziale
La NASA ha utilizzato gli aerogel per raccogliere polvere cometaria, evitando la vaporizzazione delle particelle che viaggiano ad altissima velocità. In ambito più speculativo, si è ipotizzato l’utilizzo degli aerogel per costruire cupole abitabili su Marte. Queste strutture leggere, in grado di filtrare gli UV e trattenere il calore, potrebbero creare un ambiente abitabile senza tute spaziali, lasciando passare la luce visibile e favorendo la fotosintesi delle piante.
Framework metallo-organici (MOF): l’alternativa emergente
Un’altra famiglia di materiali ultraleggeri sono i MOF, acronimo di framework metallo-organici. A differenza degli aerogel, la loro struttura è costruita con nodi metallici collegati da leganti organici, formando pori giganti capaci di intrappolare singole molecole, come idrogeno o CO₂.
I MOF hanno superfici interne enormi rispetto al volume, il che li rende ideali per lo stoccaggio di gas e la cattura delle emissioni. Tuttavia, nonostante l’entusiasmo iniziale, i progressi nella riduzione della densità non hanno ancora raggiunto i livelli degli aerogel, anche se il potenziale futuro è immenso.
Il pane come ispirazione: leggerezza da fermentazione
L’idea di introdurre gas all’interno di un solido per renderlo leggero non è nuova. I fornai, per millenni, hanno usato la fermentazione per produrre diossido di carbonio e creare impasti soffici e leggeri, come nel pane. Anche questo è un esempio di materiale poroso, seppur commestibile, basato sullo stesso principio fisico degli aerogel e dei MOF.
Una corsa alla leggerezza che non si ferma
Che si tratti di innovazione spaziale, efficienza energetica o sostenibilità ambientale, la ricerca dei materiali solidi più leggeri al mondo non riguarda solo la scienza dei materiali, ma anche il nostro futuro tecnologico. Ogni nuovo passo verso una struttura più leggera e più resistente apre la strada a applicazioni rivoluzionarie, dalla costruzione di habitat extraterrestri fino alla cattura dei gas serra sulla Terra.
