Quanti sono gli stati di aggregazione della materia?

La riposta non è assolutamente tre, come ci insegnano a scuola. Fino ad oggi si conoscono ben cinque stati della materia.

Fin dalla scuola elementare veniamo a contatto con la scienza in tutte le sue moltitudini forme quali le scienze naturali, la biologia, la chimica, la fisica e la matematica. Abbiamo imparato che gli stati di aggregazione della materia sono una classificazione convenzionale che si dà a tutti gli elementi in base alle proprie caratteristiche chimiche e fisiche.

A causa delle normali convenzioni scolastiche, siamo sempre stati portati alla conoscenza di 3 dei 5 stati della materia attualmente conosciuti: solido, liquido, aeriforme, plasma e condensato di Bose-Einstein.

Gli stati della materia che ci insegnano a scuola

Una sostanza può passare da uno stato di aggregazione ad un altro attraverso una semplice trasformazione termodinamica con una variazione di temperatura e pressione.
Queste trasformazioni vengono chiamate passaggi di stato:

Nello stato solido la materia è legata da forze molto forti che permettono un minimo movimento – vibrazionale – delle particelle che lo compongono e tendono a disporsi secondo reticoli cristallini. Esso si presenta con una forma propria e un volume proprio.

Nello stato liquido le forze sono meno intense e le particelle sono libere di muoversi, è dotato di un volume proprio e assume la forma del recipiente in cui è contenuto. Le sue proprietà principali sono: fluidità, elasticità e incomprimibilità.

Nello stato aeriforme le interazioni sono estremamente deboli e le particelle sono libere di muoversi liberamente, non ha né un volume proprio né una forma propria.

Successivamente nel corso degli anni, sono stati scoperti gli altri due stati di aggregazione (diametralmente opposti) , che portano agli estremi i valori di temperatura e pressione dello stato solido e dello stato aeriforme.

Lo stato plasmatico

Nel 1927 l’americano Irving Langmuir, vincitore del premio Nobel per la Fisica, descrisse lo stato plasmatico come simile a un gas ma ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro, il cui comportamento è assimilabile a quello di un fluido che trasporta elettroni, ioni e impurezze.

Esso si ottiene fornendo alle molecole di un gas, a una data pressione, energia termica sufficiente a dissociare le molecole e ionizzare gli atomi e le molecole del gas stesso.

Il 99.9% della materia visibile nell’Universo si trova allo stato di plasma: l’interno delle stelle, lo spazio interstellare, le aurore boreali, i fulmini. A questi si aggiungono quelli generati in laboratorio come i tubi al neon e le sfere al plasma.

Il condensato di Bose-Einstein

Il condensato di Bose-Einstein si forma quando dei bosoni vengono raffreddati a temperature di poco superiori allo zero assoluto che condensa fino a raggiungere un’elevatissima densità.

La sua proprietà principale è che le particelle del condensato esibiscono comportamenti quantistici nel macroscopico (cioè si comportano da onde e non da particelle) e potrebbero essere usate come interferometri quantistici per misurazioni nello spazio profondo.

Esso venne teorizzato nel 1924 da Albert Einstein e Satyendranath Bose e fu osservato per la prima volta nel 1995. A fine del 2018 venne realizzato per la prima volta un condensato di Bose–Einstein nello spazio, grazie all’esperimento in orbita terrestre MAIUS 1 (Matter-Wave Interferometry in Microgravity). Nel giugno 2020, tale esperimento venne riproposto con maggiore efficacia dalla Nasa, servendosi del Cold Atom Laboratory (Cal) sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Le condizioni di microgravità ci permettono di ottenere tempi di sperimentazione maggiori di quelli che si otterrebbero sulla Terra ed ha così permesso agli atomi di essere manipolati da campi magnetici più deboli, rendendo così più veloce il processo di raffreddamento.

Chissà se questo non sia altro che il preludio di un futuro in cui si potrà usare il laboratorio spaziale per generare atomi ultrafreddi, le cui applicazioni potrebbero farci rilevare le onde gravitazioni, la materia oscura o misurare in modo molto preciso la gravità terrestre.

Nel frattempo cerchiamo di aprire le nostre menti e abituarci all’era di inesorabili e irreversibili cambiamenti che ci aspetta, partendo dalla consapevolezza che solido, liquido e aeriforme non sono le uniche conformazioni in cui possiamo trovate la nostra cara materia.

Immagine di copertina: Photo by Scott Rodgerson on Unsplash