Da un reattore nucleare allo sviluppo di materiali refrigeranti

EVENTI – Risale al 1997 la decisione dell’Italia di aderire come partner all’Institut Laue-Langevin (ILL). In occasione del ventennale di questa adesione, il 5 settembre si è tenuta a Trieste una conferenza presso il Campus Miramare della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) dove sono stati presentati i maggiori risultati di questa collaborazione. La conferenza è stata organizzata dall’ILL in collaborazione con la Società Italiana di Spettroscopia Neutronica ed è avvenuta nel contesto di FisMat 2017, la Conferenza Italiana sulla Fisica della Materia.

Basato in Francia a Grenoble, l’ILL è dotato di una delle fonti di neutroni per la scienza più intense a disposizione ed è uno degli istituti più avanzati al mondo nella ricerca attraverso tecniche neutroniche. L’istituto è stato fondato nel 1967 da Francia e Germania ed è stato fin da subito dotato di un reattore nucleare pensato in modo da essere una fonte molto intensa di neutroni. Nel corso degli anni molti partner si sono aggiunti: Regno Unito (1973), Spagna (1987), Svizzera (1988), Austria (1990), Russia (1996), Italia (1997), Repubblica Ceca (1999), Ungheria e Svezia (2005), Belgio e Polonia (2006), Slovacchia (2009), India (gennaio 2011). L’istituto di ricerca ospita ogni anno 1400 scienziati provenienti da 40 paesi. Negli ultimi venti anni il contributo italiano all’ILL è andato ben al di là di un semplice finanziamento e ha visto lo sviluppo di importanti ricerche, di capacità tecniche e di sinergie che hanno rafforzato la ricerca anche nel nostro paese. Anche l’industria privata ha beneficiato di questo partenariato potendo effettuare ricerche sui materiali altrimenti impossibili.

Durante la conferenza sono stati raccontati alcuni degli studi più interessanti oggi in corso guidati da ricercatori italiani. Ne abbiamo approfittato per intervistare Andrea Piovano che ha presentato uno studio sui materiali termoelettrici e chiedergli chiarimenti su cosa fa all’ILL, sulle tecniche di analisi neutroniche, sulla sua ricerca e su quali siano i vantaggi della collaborazione italiana all’istituto.

Andrea Piovano Fisico della materia all’ILL di Grenoble. Ci spiega di cosa di occupa e qual è il suo campo di ricerca?

Io sono un ricercatore dell’Institut Laue-Langevin e come tale sono responsabile di uno degli strumenti presenti, uno strumento a tre assi per la spettroscopia neutronica su cristalli singoli. A fianco di questo lavoro, che prevede il mantenimento e lo sviluppo della strumentazione, ho anche il compito di accogliere gli utilizzatori che propongono esperimenti: il mio ruolo è quello di fornirgli lo strumento con la configurazione ottimale per i loro studi. Infine ho anche un mio lavoro di ricerca personale e mi occupo principalmente di materiale per le energie. Dato che non ho un laboratorio o un mio gruppo di studio, il mio lavoro si collega molto a collaborazioni con altri istituti, in particolare con l’Università di Torino e con quella di Copenaghen su diversi ambiti che vanno anche oltre i materiali per le energie.

Lei appunto lavora all’ILL . Che tipo di struttura è e come è arrivato a lavorarci?

L’ILL è un istituto che fornisce neutroni che vengono utilizzati come sonde per studiare le proprietà dei materiali moderni o rilevanti  dal punto di vista tecnologico e in più in generale per studiare le proprietà fondamentali della materia. Questo è possibile attraverso un reattore nucleare ad alto flusso che sfrutta la fissione dell’uranio 235. Questo nella catena di fissione rilascia neutroni che vengono opportunamente termalizzati, cioè vengono rallentati in modo che la loro velocità corrisponda a una lunghezza d’onda pari alle distanze interatomiche. Ciò rende possibile sondare le proprietà interatomiche come la struttura o la dinamica dei materiali in esame.

Io ho fatto una tesi di dottorato nell’ambito dei materiali per le energie facendo uso di diverse tecniche, basate sui raggi x e sui neutroni. Nel corso di questa ricerca sono stato completamente affascinato dal primo esperimento coi neutroni all’ILL  e da come questa facilities rappresenti un punto di incontro di molte persone da tutta Europa e dal mondo, un centro di scambio di idee  molto stimolante. Dopo il dottorato avevo già iniziato un post doc a Torino quando è uscita una posizione come responsabile dello strumento a tre assi, quello che avevo utilizzato durante le mie esperienze. Ho pensato così di fare domanda e fortunatamente ho avuto questo posto. Negli anni ho così potuto imparare nel dettaglio cosa vuol dire essere uno scienziato strumentale e sviluppare ambiti di ricerca legati alla tecnica.

Nell’ILL c’è una delle sorgenti neutroniche più energetiche tra quelle a disposizione. Quale è l’utilità di una sorgente del genere?

L’ILL è stata al tempo una delle prime grandi strutture completamente dedicate alla creazione di neutroni per la scienza. Il reattore fu pensato fin dall’inizio per essere ottimale e quindi da molto tempo è quello che permette la più intensa diffusione al mondo dei neutroni dal nocciolo. E questo è importante perché in generale la tecnica che fa uso dei neutroni per studiare la materia è una candela rispetto all’intensità e alla brillanze che si ottengono con altre tecniche come quella dei raggi x del sincrotrone. Il fascio di neutroni, infatti, è un miliardo di volte meno intenso rispetto a quello di fotoni prodotto in un sincrotrone e questo è un grave limite. L’importanza di avere un fascio di neutroni comunque potente e intenso è che permette di riuscire a fare analisi sufficientemente dettagliate in un tempo ragionevole. L’avere gli strumenti per produrre il più alto flusso di neutroni a disposizione sulla terra crea le prerogative per avere un set di strumenti che sono allo stato dell’arte e che permettono le analisi più accurate attraverso la sonda neutronica.

D’altro canto, rispetto ad altre tecniche, ci sono diversi vantaggi nell’usare i neutroni e ciò li rende ampiamente utilizzati. Non avendo carica interagiscono principalmente con i nuclei e poco con gli elettroni e ciò li rende altamente penetranti consentendo l’analisi della struttura interna e non solo di superficie. Avendo però un dipolo magnetico possono interagire con gli elettroni disaccoppiati e questo li rende una sonda ideale per lo studio di tutti i fenomeni magnetici. Inoltre sono una sonda dolce, in quanto la perturbazione che portano al sistema è molto piccola e questo permette di essere sicuri di non danneggiare il campione nell’analisi cosa che invece può avvenire coi raggi X.

In particolare lei fa uso della spettroscopia neutronica. Cos’è e quale ruolo ha nella sua ricerca?

Questa domanda mi consente di parlare di un altro dei vantaggi dei neutroni. La spettroscopia neutronica è tutto ciò che riguarda l’analisi delle energie e le interazioni con scambio di energia tra i neutroni sonda e le particelle in analisi. Si analizza quindi la risposta di un fascio di neutroni che interagisce con un materiale in funzione dell’energia, ma non solo. I neutroni sono infatti particelle dotate di massa, hanno una certa velocità e un quindi un certo momento lineare. Questo rende possibile studiare non solo le proprietà con zero scambio di momento come tutte le tecniche basate sulla luce, ma anche fare uno studio in funzione del momento scambiato. Questo apre un’ampia gamma di possibilità perché molte proprietà si trovano facendo l’analisi in tutto lo spettro dei momenti scambiati oltre che delle energie. I neutroni sono così una sonda che permette di ottenere informazioni molto precise sulla dinamica dei sistemi e quindi di come gli atomi si muovono tra loro e come si muovono singolarmente.  In particolare l’analisi senza scambio di energia ci dice la struttura statica di un materiale, mentre l’analisi con lo scambio di energia ci dice come l’insieme vibra o come delle particelle all’interno del sistema si muovono indipendentemente. Si può così ricostruire la dinamica degli atomi in un cristallo, ad esempio.

Oggi ha presentato le sue ricerche sui materiali termoelettrici che svolge appunto con la tecnica della spettroscopia neutronica. Innanzitutto cosa sono i materiali termoelettrici?

I materiali termoelettrici  sono materiali in cui una differenza di temperatura ai due lati può creare un flusso netto di elettroni e quindi una corrente elettrica. Quindi avendo un gradiente di temperatura si può ottenere una corrente da poter utilizzare su un eventuale carico. E’ vero anche l’inverso, cioè si può applicare una tensione ai due capi per creare una differenza di temperatura. Questo permette di utilizzarli come refrigeratori portando calore da un capo all’altro.

Ci sono già applicazioni di questi materiali? Quali sono le difficoltà maggiori nel loro sviluppo?

Le applicazioni attualmente si limitano a piccoli elettrodomestici e a funzioni altamente specifiche perché l’efficienza di questi dispositivi non è ancora così elevata da poter permettere applicazioni più importanti. Questo è dovuto alla difficoltà intrinseca ad avere un termoelettrico ottimale. Ed è il motivo per cui è essenziale una ricerca approfondita che includa anche una conoscenza microscopica del comportamento di questi materiali per poter comprendere quale è il modo migliore per ottimizzare i parametri che determinano la capacità termoelettrica.

Ed è quello che sta facendo con la spettroscopia neutronica.

Nelle qualità termoelettriche di un materiale entra in gioco la conduzione termica che deve essere molto bassa. La conduzione termica nei materiali semiconduttori è principalmente dovuta alle vibrazioni atomiche. Queste vengono trasportate sotto forma di onde di calore da dei quanti di vibrazione chiamati fononi, in particolare quelli che vengono chiamati fononi acustici. Cercare di ottimizzare i materiali in modo da ridurre la capacità di questi fononi di trasportare calore da un punto all’altro del materiale è l’ingrediente fondamentale per poter ottenere dei termoelettrici efficienti.

Attraverso l’analisi dei risultati degli esperimenti si costruiscono dei modelli del fenomeno e, attraverso questi modelli, si cerca di capire come ottimizzare un materiale termoelettrico. Se però il modello di partenza è sbagliato – perché non si potevano ottenere informazioni microscopiche dettagliate – si finisce per andare nella direzione di sviluppo sbagliata. In questo ambito è necessario uno studio sia in funzione delle energie sia in funzione del momento per raccogliere tutte le informazioni microscopiche e comprendere l’influenza di eventuali modifiche del materiale sull’effetto termoelettrico. Con la spettroscopia neutronica si riescono appunto a vedere gli atomi nella loro dinamica collettiva.

La conferenza si è tenuta in occasione del ventennale dell’ingresso dell’Italia nell’ILL. C’è un numero considerevole di italiani nel personale e l’Italia collabora direttamente nel progetto. Ci potrebbe illustrare come funziona questo partenariato?

Innanzitutto c’è un certo numero di persone, attualmente circa una ventina, di origine italiana che lavora direttamente come staff dell’ILL. Ci sono gruppi di ricercatori italiani che sono personale esterno e si occupano degli strumenti italiani all’ILL e c’è poi un gruppo di studenti PHD. L’ILL ogni anno propone dei progetti PHD a cui possono applicare tutti i membri  e molto spesso si vede che ci sono tanti studenti italiani che riescono a emergere e prendere molte posizioni.

Il centro crea un terreno fertile per mostrare le capacità dei ricercatori e professori italiani nel campo della spettroscopia a neutroni oltre al fatto che, pagando un certa percentuale, si ha un accesso corrispettivo agli strumenti e l’Italia è in grado di sfruttare questa percentuale al di sopra di quanto paga. Un ulteriore vantaggio è che gli italiani una volta fatti gli esperimenti, in media pubblicano molto di più rispetto a ricercatori di altri paesi partner. La percentuale relativa delle pubblicazione dell’Italia è quindi molto alta e questo indica che questa partnership è utilizzata molto bene.

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