Scoperta una possibile causa del comportamento “strano” dei cuprati: un passo in avanti verso applicazioni dei superconduttori più sostenibili
Pubblicato su Nature Communications lo studio del Politecnico di Milano, della Chalmers University of Technology e della Sapienza Università di Roma.
Compiuto un significativo passo in avanti nella ricerca sulla superconduttività, la scoperta potrebbe aprire la strada a tecnologie sostenibili e contribuire a un futuro più rispettoso dell’ambiente.
Lo studio appena pubblicato su Nature Communications da ricercatori del Politecnico di Milano, della Chalmers University of Technology di Göteborg e della Sapienza Università di Roma chiarisce uno dei tanti misteri dei superconduttori ad alta temperatura critica, i cuprati: anche a temperature superiori a quella critica sono speciali, si comportano come metalli “strani”. Cioè la loro resistenza elettrica cambia con la temperatura in modo diverso da quella dei metalli normali.
La ricerca indica l’esistenza di un punto critico quantistico collegato alla fase denominata “metallo strano”.
“Un punto critico quantistico individua le condizioni specifiche in cui un materiale subisce un improvviso cambiamento nelle sue proprietà a causa di soli effetti quantistici. Così come il ghiaccio fonde e diventa liquido a zero gradi centigradi a causa degli effetti microscopici della temperatura, i cuprati diventano un metallo “strano” a causa delle fluttuazioni quantistiche di carica”
afferma Riccardo Arpaia, autore principale dello studio e ricercatore presso il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze di Chalmers.
Il punto critico quantistico (QCP) nel diagramma di fase dei cuprati è riconoscibile perché l’energia delle fluttuazioni di carica si avvicina a zero. I risultati sperimentali sono nel diagramma in secondo piano, l’andamento ideale è disegnato in primo piano
La ricerca si è basata su esperimenti di diffusione di raggi X condotti presso il Sincrotrone Europeo ESRF e il sincrotrone britannico Diamond Light Source, che hanno evidenziato l’esistenza di fluttuazioni della densità di carica capaci di influenzare la resistenza elettrica dei cuprati in modo tale da renderli “strani”. La misurazione sistematica di come varia l’energia di queste fluttuazioni ha permesso di identificare il valore esatto della densità di portatori di carica in corrispondenza della quale essa è minima: il punto critico quantistico.
Lo strumento ERIXS del Sincrotrone Europeo ESRF che ha permesso di misurare l’energia delle fluttuazioni di carica nei cuprati. Questo spettrometro è stato sviluppato in collaborazione con il POLIMI e ha il record del mondo di risoluzione
“Questo è il risultato di più di cinque anni di lavoro. Abbiamo usato una tecnica, chiamata RIXS, in gran parte sviluppata da noi del Politecnico di Milano. Grazie a numerose campagne di misura e a nuovi metodi di analisi dei dati abbiamo potuto dimostrare l’esistenza del punto critico quantistico. Capire bene i cuprati ci permetterà di progettare materiali ancora migliori, con temperature critiche più alte, e quindi più facili da sfruttare nelle tecnologie di domani”
aggiunge Giacomo Ghiringhelli, Professore del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e coordinatore della ricerca.
“Questa scoperta rappresenta un progresso importante per la comprensione non solo delle proprietà anomale dello stato metallico dei cuprati, ma anche dei meccanismi ancora oscuri alla base della superconduttività ad alta temperatura”
afferma Sergio Caprara, Professore presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza, che ha elaborato insieme ai colleghi del gruppo teorico di Roma la teoria che assegna alle fluttuazioni di carica un ruolo fondamentale nei cuprati.
Riferimenti:
Signature of quantum criticality in cuprates by charge density fluctuations – Riccardo Arpaia, Leonardo Martinelli, Marco Moretti Sala, Sergio Caprara, Abhishek Nag, Nicholas B. Brookes, Pietro Camisa, Qizhi Li, Qiang Gao, Xingjiang Zhou, Mirian Garcia-Fernandez, Ke-Jin Zhou, Enrico Schierle, Thilo Bauch, Ying Ying Peng, Carlo Di Castro, Marco Grilli, Floriana Lombardi, Lucio Braicovich & Giacomo Ghiringhelli – Nature Communications (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42961-5
Testo e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma
COVID-19, DISTANZIAMENTO E DROPLET TRANSMISSION CON E SENZA MASCHERINA
Pubblicato sul «Journal of the Royal Society Interface» lo studio del team internazionale di ricerca dell’Università di Padova, Udine, Vienna e Chalmers: si può quantificare il rischio di contagio in funzione della distanza interpersonale, temperatura, umidità e tipo di evento respiratorio considerato. Quando si parla senza mascherina le goccioline infette emesse possono raggiungere oltre un metro, fino a 3 metri per un colpo di tosse mentre starnutendo raggiungono i 7 metri, con le mascherine chirurgiche e FFP2 il rischio di contagio diventa praticamente trascurabile sia che si parli, che si tossisca o starnutisca.
Dinamica di gocce e aerosol, vettori della trasmissione virale
Il gruppo di ricerca del professor Francesco Picano del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova – costituito dai dottori Federico Dalla Barba e Jietuo Wang, in collaborazione con il professor Alfredo Soldati, il dottor Alessio Roccon della Technische Universität Wien e Università di Udine, e il prof. Gaetano Sardina della svedese Chalmers University of Technology) – sul «Journal of the Royal Society Interface» propone un modello di quantificazione del rischio di contagio da COVID-19 in funzione della distanza interpersonale, condizioni ambientali di temperatura e umidità e tipo di evento respiratorio considerato (parlare, tossire o starnutire) con o senza l’utilizzo di mascherine.
Le strategie per combattere il COVID – 19, oltre al fondamentale utilizzo del vaccino, si basano su lockdown più o meno totali, distanziamento interpersonale (1-2 metri, three/six-feet rule), sanificazione di superfici e mani o areazione degli ambienti. La puntuale revisione di queste modalità di profilassi è fondamentale per contenere la diffusione di questa e altre future pandemie simili. È bene ricordare che la scienza ha fatto sempre tesoro delle esperienze passate: negli anni successivi alla pandemia di influenza spagnola del 1918 la comunità scientifica studiò le strategie per evitare la propagazione dei virus tanto che nel 1934 in una ricerca dell’americano William Firth Wells furono definite le basi per lo studio della trasmissione aerea dei virus e del distanziamento sociale.
I virus, come il SARS-COV-2, passano da un individuo infetto a uno sano tramite la trasmissione di goccioline salivari emesse parlando, tossendo o starnutendo. Le goccioline in sospensione si possono depositare sulle superfici che diventano quindi il terreno di contagio una volta toccate dall’individuo sano. In questo caso si può contrastare la catena del contagio sanificando superfici e mani.
Più articolata è la questione della trasmissione aerea: le regole fin qui usate per evitare la propagazione sono state il distanziamento interpersonale, la capienza ridotta degli ambienti e le mascherine. Wells, come si è detto, distinse la trasmissione aerea in droplet o airborne/aerosol.
L’emissione di goccioline salivari avviene tramite la formazione di uno spray di goccioline spinto dall’aria espirata: le gocce nel loro moto evaporano, si depositano o restano sospese. Quelle più grandi e pesanti cadono prima di evaporare mostrando un moto balistico (droplet), mentre le più piccole evaporano prima di cadere e tendono ad essere trasportate dal fluido (airborne).
Wells, utilizzando le conoscenze dell’epoca sulla dinamica delle goccioline e sull’evaporazione di spray, propose la cosiddetta evaporation-falling curve in cui quantificò i tempi necessari per l’evaporazione completa o la caduta a terra delle goccioline respiratorie in funzione della loro dimensione iniziale. Dal punto di vista pratico: la distanza di 1,8 metri (six-feet) è quella in cui le goccioline più grandi arrivano prima di cadere su terreno (droplet transmission), mentre quelle più piccole, una volta evaporate, diventano minuscoli residui di materiale non-volatile capaci di rimanere sospesi nell’aria ed essere infettivi a lungo in ambienti chiusi non ventilati (aerosol/droplet-nuclei).
Nel tempo la comunità scientifica ha approfondito nuovamente la caratterizzazione degli spray respiratori, le distanze raggiunte dalle goccioline salivari e l’efficacia del distanziamento. È assodato che: le goccioline mostrano tempi di evaporazione molto più lunghi rispetto a quanto atteso dal modello del 1934 e che parte delle goccioline più grandi (airborne-droplet) sono trasportate dal getto d’aria emesso durante gli atti respiratori, raggiungendo distanze maggiori di quanto si pensasse.
La ricerca
Dallo studio pubblicato sul «Journal of the Royal Society Interface» emerge che senza mascherina le goccioline infette emesse quando si parla posso raggiungere la distanza di poco più d’un metro mentre starnutendo arrivano fino 7 metri in condizioni di elevata umidità. Tali distanze, stimate dal modello, mostrano un pieno accordo con le più recenti evidenze sperimentali. Dall’applicazione del modello per la stima del rischio di contagio si capisce che non esiste una distanza di sicurezza “universale” in quanto essa dipende dalle condizioni ambientali, dalla carica virale e dal tipo di evento respiratorio. Ad esempio, considerando un colpo di tosse (con media carica virale) si può avere un alto rischio di contagio entro i 2 metri in condizioni di umidità relativa media mentre diventano 3 con alta umidità relativa, sempre senza mascherina.
«La pandemia di COVID-19 ha evidenziato l’importanza di modellare accuratamente la trasmissione virale operata da goccioline salivari emesse da individui infetti durante eventi respiratori come parlare, tossire e starnutire. Le regole del distanziamento interpersonale usualmente utilizzate si basano principalmente sullo studio proposto da Wells nel 1934. Nel nostro lavoro – dice Francesco Picano – abbiamo revisionato tale teoria utilizzando le più recenti conoscenze sugli spray respiratori arrivando a definire un nuovo modello per quantificare il rischio di contagio respiratorio diretto. L’applicazione del modello fornisce una valutazione sistematica degli effetti del distanziamento e delle mascherine sul rischio d’infezione. I risultati indicano che il rischio è fortemente influenzato dalle condizioni ambientali come l’umidità, dalla carica virale e dal tipo di attività respiratoria, suggerendo l’inesistenza di una distanza di sicurezza “universale”. Di contro – sottolinea Picano – indossare le mascherine fornisce un’eccellente protezione, limitando efficacemente la trasmissione di agenti patogeni anche a brevi distanze interpersonali e in ogni condizione ambientale».
Francesco Picano, uno degli autori dello studio relativo a COVID-19, distanziamento e droplet transmission con e senza mascherina
La ricerca, utilizzando i più recenti dati sperimentali sulla riduzione dell’emissione di goccioline ad opera delle mascherine, ha testato il modello per quantificare come i dispositivi di protezione individuale abbattano il rischio di contagio: l’utilizzo della mascherina, chirurgica e ancor di più se FFP2, si dimostra essere un eccellente strumento di protezione abbattendo il rischio di contagio che diventa trascurabile già a brevi distanze (circa 1m), indipendentemente dalle condizioni ambientali o dall’evento respiratorio considerato.
«Sappiamo che il Virus richiede un vettore per essere trasmesso da una persona ad un’altra. Sappiamo anche che il vettore sono le goccioline di saliva emesse mentre respiriamo, parliamo starnutiamo, cantiamo. Le indicazioni mediche che stiamo seguendo sono basate su studi di fluidodinamica del 1940: Noi stiamo chiudendo le scuole, limitando le capienze dei locali, limitando le distanze tra le persone sulla base di studi del 1940. È importante – conclude Alfredo Soldati ordinario di fluidodinamica dell’Università di Udine e direttore dell’Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer della Technische Universität di Vienna – che ingegneri e fisici si cimentino nello studio di questi fenomeni insieme a biologi e virologi per fornire indicazioni precise che consentano di rilassare le norme quando si può e di rinforzarle quando si deve. Dall’inizio della pandemia la comunità internazionale si è messa al lavoro e ha prodotto in soli due anni un bagaglio di conoscenze basate su sofisticati esperimenti e accurate simulazioni sui moderni supercomputer. La gestione di questa pandemia richiede un continuo e razionale impegno da parte delle amministrazioni pubbliche, della comunità medica e di quella scientifica al fine di identificare misure sostenibili e accettabili dalla società. Il mio auspicio è che la comunità sanitaria che identifica le misure di sicurezza accolga volentieri i nostri suggerimenti e il nostro aiuto».
COVID-19, distanziamento e droplet transmission con e senza mascherina
Titolo: “Modelling the direct virus exposure risk associated with respiratory events” – «Journal of the Royal Society Interface» – 2022; Autori: J. Wang, F. Dalla Barba, A. Roccon, G. Sardina, A. Soldati & F. Picano
Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Padova sullo studio relativo a COVID-19, distanziamento e droplet transmission con e senza mascherina.
