Una delle cose che più infastidisce il fisico quadratico medio è il classico luogo comune: “Ah, sei un fisico… sei un po’ fuori dal mondo, eh?.. equazioni… robba nucleare.. cose incomprensibili per noi mortali..”.
Nessuno è immune da questo sarcastico mantra, che può essere proferito anche dai più insospettabili interlocutori: amici d’infanzia, familiari, la biondina che stai cercando di rimorchiare al bar..
Niente, tu fai di tutto per provare a spiegare quello che fai per vivere, in maniera molto semplice e poco tecnica, ed il tuo interlocutore dopo 6 decimi di secondo ha già spento il cervello e ti guarda con un sorriso accondiscendente che si riserva in genere al Don Chisciotte di turno.
Tutto questo nasce dal pregiudizio che chi fa ricerca, specie in fisica, in genere lavora su cose totalmente astratte ed inutili, misteriose e complicatissime equazioni differenziali che governano la formazione dei cirrocumuli in alta quota o il moto vorticoso della marmellata d’arancia ad alte temperature…
Il che porta secondo me anche a giustificare nella mente del cittadino il fatto che si investono pochi soldi nella ricerca. A parole tutti criticano i governi che non investono, ma sotto sotto molti pensano che siano soldi un po’ inutili, e che il tuo, in fondo, non sia un vero e proprio lavoro…
Si è parlato anche su questo blog recentemente del progetto europeo F7 sul grafene, questo materiale quasi magico che promette meraviglie tecnologiche ma che nessuno ha capito veramente bene a cosa serve..
Di nuovo potrebbe passare l’idea che l’Europa, intesa come istituzioni EU, butti i soldi in cose inutili, astruse, costose e soprattutto poco pratiche.
Ebbene, dietro i luoghi comuni spesso si nascono anche piccole verità, e sicuramente sprechi e studi poco applicativi ci sono – anche se qui bisognerebbe spiegare che anche uno studio apparentemente molto astratto può implicare profonde rivoluzioni. Un algoritmo di ottimizzazione testato su un materiale disordinato assolutamente inutile come un vetro di spin, può avere applicazioni in campi fra i più disparati, come lo studio delle memorie artificiali, o il controllo del mercato azionario delle borse, o del traffico sul raccordo anulare all’ora di punta, non fosse che per dimostrare che quest’ultimo non si può ottimizzare per definizione intrinseca di automobilista romano..
Ma la fisica si occupa anche di studiare cose estremamente pratiche, vicine alla vita di tutti i giorni, vita che anzi potrebbe essere rapidamente rivoluzionata da queste ricerche, e la tanto bistrattata Europa ogni tanto finanzia anche ricerche lungimiranti.
Sto parlando qui di un progetto che mi coinvolge personalmente, il “NEWLED“.
Il NEWLED è un progetto, un consorzio europeo, formato da gruppi di eccellenza sia teorica che sperimentale, che passerà i prossimi anni a studiare, progettare, costruire una nuova generazione di Led.
Che cos’è un Led? Un led (light emitting diode) è un diodo, ovvero un dispositivo costituito da materiali semiconduttori – ovvero in parole povere materiali che non conducono l’elettricità facilmente come i metalli, ma non sono nemmeno degli isolanti, sono una “via di mezzo”.
In questi materiali, a partire da una condizione iniziale in cui gli “elettroni” (cariche negative) e le “buche” (cariche positive costituite da un’assenza di elettrone, una buca appunto) si trovano in zone separate, quando viene applicata una tensione esterna (un campo elettrico), che abbassa la barriera che separa le cariche di opposta natura, le cariche si “ricombinano”, ovvero si annullano a vicenda, emettendo energia sotto forma di fotone. E che cos’è un fotone? Luce.
Insomma, per dirla semplice per i nostri amici perplessi, i led sono dei dispositivi che sfruttando un fenomeno fisico tipico di certi materiali, fanno luce. Sono una specie di lampadina.
Molti di voi avranno familiarità con questi led, che sono presenti, spesso in veste di ipnotica lucetta rossa o verde, in molti elettrodomestici della nostra vista quotidiana. Il classico ed insostituibile on/off.
I led, a seconda delle loro caratteristiche e del tipo di materiale che li costituiscono, emettono luce a lunghezza d’onda diversa, ovvero di colore diverso. E possono, e sono infatti sempre di più, utilizzati per la normale illuminazione di case, strade e città, specie se si dimostreranno più efficienti e meno costosi delle normali lampadine.
(Bellissime e un po’ inquietanti sono le Flame Towers, le torri fiammeggianti di Baku, in Azerbaijan, ricoperte da più di 10000 led per rendere l’aspetto fiammeggiante).
Ma per essere utilizzati al posto delle classiche lampadine, i led devono emettere una bella, potente luce bianca. Esistono delle tecniche attualmente che permettono di trasformare la luce colorata dei led in luce bianca, e si basano principalmente sul una sorta di “filtraggio” dei vari colori che i led emettono naturalmente fatto da uno strato di fosforo posto sul led, che converte in genere la luce blu emessa da alcuni led in bianca, a discapito della luminosità in genere.
Ma c’è un altro inconveniente legato alla conversione con dei “fosfori” (NdA: questa parte è stata modificata su corretta indicazione di Gifh, in quanto io avevo erroneamente parlato di Fosforo. Rimando al commento di Gifh e alla mia risposta per ulteriori dettagli). I “fosfori” non sono gratis. I “fosfori” sono materiali che fanno parte delle così dette “terre rare”. Che poi non sono così rare, nel senso che la più rara delle terre rare, il lutezio, è comunque in natura 200 volte più disponibile del’oro. Il termine terre rare, deriva per lo più dalla loro scoperta relativamente recente (a partire dalla fine del 1700) e soprattutto dal fatto che la loro estrazione è complicata e costosa. Inoltre, e questo strategicamente è il punto fondamentale, per una strana congiuntura geologico-politica, il 97% delle terre rare esistenti al mondo si trova nel sottosuolo della Cina, che ovviamente ne controlla il mercato a suo piacimento, fino a paralizzarlo, come fece anni fa, bloccando le esportazioni di terre rare verso il Giappone per una ritorsione politica contingente.
E’ abbastanza chiaro a tutti quanto sia fondamentale per l’economia mondiale il ruolo della Cina, che è il paese che ha probabilmente la maggiore espansione industriale, il maggior consumo di materie prime, a partire dal petrolio e gas naturali, di cui è il primo acquirente dalla Russia, e non a caso si sostiene spesso che l’economia russa si basa esclusivamente e pericolosamente sulla vendita di petrolio e gas alla Cina. La Cina è inoltre di recente entrata massicciamente nella ricerca e produzione di energie alternative, a partire dal fotovoltaico. Tutto questo influenzerà fortemente le future dinamiche socio-economiche del pianeta, ed è chiaro che la piccola Europa dovrà trovare un suo ruolo. Non siamo né grandi produttori, né grandi consumatori. Ma potremo essere dei grandi innovatori, specie in campo tecnologico.
Da qui nasce l’idea di un nuovo tipo di led, il NEWLED appunto, che si basa su un’idea rivoluzionaria: creare un led costituito da diversi strati di materiale semiconduttore, ognuno in grado di emettere un colore diverso, in modo che il mescolamento dei vari colori emetta direttamente una luce bianca, senza usare convertitori. E’ un fenomeno credo familiare a tutti, basta pensare ad esempio alle trottole con tutti i colori dell’arcobaleno, che girando davano un risultato visivo di bianco puro, per il nostro occhio.
Detto così può sembrare una cosa semplice, ma ovviamente ci sono molti problemi di ordine pratico che dovranno essere risolti nell’ambito di questo progetto per produrre questi nuovi led, ed il più ostico è la così detta “deep-green gap”, ovvero la “lacuna del verde scuro”.
Questa che a una prima lettura sembra solo una distratta dimenticanza nell’astuccio dei colori di uno scolaro, è un grosso ostacolo fisico nella progettazione di questi nuovi led. Consiste nel fatto che con le tecniche attuali è molto difficile costruire un dispositivo con i materiali e le strutture che normalmente si utilizzano che emetta una luce di colore verde scuro, che è indispensabile nel mescolamento dei colori per produrre il bianco.
Uno degli obbiettivi dei ricercatori impegnati in questo progetto è di riuscire a costruire un dispositivo che emetta anche del bel verde scuro, e il compito del mio gruppo sarà quello di effettuare delle simulazioni a livello atomistico dei materiali utilizzati nei led al fine di prevedere e determinare quali dovranno essere le caratteristiche ottimali del dispositivo, dal punto di vista delle dimensioni fisiche, della composizione chimica, e di tanti altri parametri tecnologicamente controllabili in fase successiva di produzione.
Le più avanzate tecniche di simulazione al computer, che si basano su modelli che nascono direttamente dalle equazioni della fisica, della meccanica quantistica, quelle stesse che spesso sono viste dai non addetti ai lavori come quanto di più lontano dalla realtà quotidiana, ci permetteranno un giorno non lontano di avere lampadine più economiche, più luminose e più durature.
Ed io potrò sinteticamente rispondere alla biondina del bar che mi chiede che cosa faccio nella vita: “Faccio lampadine”. Sperando che non mi chieda uno sconto per montarle l’impianto elettrico a casa…
icalamari
Maggio 2, 2013
😀 Mi dispiace per la biondina, ma comunque ottime informazioni! Grazie 🙂
Gifh
Maggio 2, 2013
Molto interessante il progetto NEWLED, devo però muovere un piccolo appunto: il fosforo è un elemento chimico che non appartiene alle terre rare, a differenza del lutezio, oltre al fatto che la sua abbondanza relativa non è proprio così limitante. Per il resto, almeno a voi fisici non chiedono continuamente di preparare cocktail psichedelici, bombe più o meno sporche o disinibiti elisir afrodisiaci, quindi non mi lamenterei troppo! 😀
danielebarettin
Maggio 2, 2013
Hai ragione, mi sono espresso impropriamente. Per fretta e volontà di semplificazione ho tradotto Phosphor con Fosforo (mentre l’elemento Fosforo è il Phosphorus). Si dovrebbe parlare di Fosfori come plurale di Fosfor:
“I fosfor(i) sono solitamente ottenuti da un materiale compatibile al quale è aggiunto un attivatore. Il più conosciuto è il solfuro di zinco, attivato col rame o con l’argento (solfato di zinco argento).I materiali base sono di solito ossidi, solfuri, seleniuri, alogeni o silicati di zinco, cadmio, manganese, alluminio, silicio, o vari metalli rari (terre rare).
Spero che la correzione non abbia peggiorato la situazione. Decisamente non sono esperto nel ramo.
Grazie della segnalazione. 😉
Maria Grazia Ortore
Maggio 2, 2013
Beh, questo NEWLED sembra proprio promettente! Ne parlerò al barista che continua ad importunarmi con la scusa del bosone di Higgs…ma il cocktail psichedelico ce lo prepari lo stesso, Gifh? 🙂
Marco
Maggio 2, 2013
Salve a tutti!
E’ la prima volta che commento ma sono un’assiduo lettore di questo splendido blog. Il motivo per cui vi scrivo oggi e’ il seguente: sono da giorni alle prese con due problemi apparentemente elementari (svolti, tra l’altro, ripetute volte), purtroppo invano. Mi rivolgo dunque a voi affinché possiate darmi una mano (conosco il procedimento dei problemi, applico le giuste formule ma il risultato risulta sbagliato):
1) Durante i primi milioni di anni di vita del sistema solare, la Terra fu intensamente bombardata da meteoriti. Supponiamo che un meteorite di 4,3•10^3 sia catturato gravitazionalmente dalla Terra quando era a una distanza praticamente infinita dal nostro pianeta ed era fermo rispetto alla Terra. Con quale velocitá arrivó sulla superficie terrestre?
2) Recentemente é stato scoperto un pianeta che ruota attorno alla stella HD 130322 con un periodo di 2,54 giorni. Supponendo che la stella abbia una massa di 2,0 •10^30 kg ● Calcola il raggio medio r dell’orbita del pianeta. ● confrontalo con il raggio dell’orbita terrestre [r(terra) = 1,5•10^11m)
Non voglio assolutamente passare per uno scansafatiche (tutt’altro, infatti la fisica mi appassiona da sempre) ma spero davvero possiate aiutarmi.
Ciao ed a presto.
Marco
elisabettalatorre
Maggio 3, 2013
davvero interessante. e per tornare al tuo primo esempio, i vetri di spin, proprio per dimostrare quanto poi questi argomenti apparentemente astratti possono invece avere applicazioni importanti nella quotidianità, durante la tesi di laurea ho proprio studiato un algoritmo che si basava sui vetri di spin per riconoscere microcalcificazioni (uno dei segnali della presenza di un tumore) nelle mammografie.
ilpescedierwin
Maggio 10, 2013
È tutto molto interessante! – e gustosissima la descrizione della scena-tipo iniziale 😉
maurizioL
Maggio 12, 2013
oh… meno male… era ora… il led a spettro continuo… magari anche per l’illuminazione stradale ad alta efficienza e basso consumo così possiamo metterne di più… così gli astrofisici la smetteranno di fare quelle cose così inutili come fotografare il cielo in banda passante (a meno di non abitare dalle parti di Atacama) 😦 sigh!sigh!sigh!
Massimo Pinto
Maggio 15, 2013
Le teorie di un Fisico sono inutili se egli non riesce a spiegarle alla persona seduta a fianco a lui al Pub (Lord Kelvin).
Salutami la biondina 😎
melpomene
Maggio 16, 2013
Caro Marco, non capisco se chiedere la risposta a due problemi di fisica su questo blog piuttosto che su uno di didattica sia una battuta o meno! Cmq per il primo problema il quadrato della velocità dell’asteroide è circa v^2=2*g*R dove ‘g’ è accelerazione gravità ed R il raggio terrestre, viene dall’avere integrato la forza gravitazionale conservativa lungo il percorso dell’asteroide cioè dall’infinito (forza nulla) fino alla superficie terrestre. Il risultato dell’integrale va uguagliato all’energia cinetica per calcolare la velocità richiesta. Tutto ciò vale trascurando l’attrito dell’aria nell’atmosfera.
Per il secondo problema devi usare la terza legge di keplero. (T^2)/(R^3)=cost, la costante dipende dalla massa della stella ma poichè la massa della stella che hai indicato è praticamente uguale alla massa del sole puoi scrivere direttamente (T^2-stella)/(T^2-terra)=(R^3-stella)/(R^3-terra) dove T è il periodo dell’orbita e R il raggio dell’orbita. Quindi (R^3-stella) = (R^3-terra)*(2.54/365)^2 -> R-stella = 5.43*10^9 m Quindi circa 30 volte minore del raggio orbita terrestre .
Buono studio
danielebarettin
ottobre 21, 2013
Un link ad un’intervista de “La Stampa” ad Aldo di Carlo, il leder del mio gruppo a Tor Vergata, a proposito del progetto NewLED:
http://www.lastampa.it/2013/09/04/scienza/ambiente/focus/leuropa-scommette-sui-newled-la-luce-di-nuova-generazione-PYZoaY4HSDGWVnzir4BvbO/pagina.html
danielebarettin
novembre 6, 2013
Qui il link al video ufficiale del progetto:
buona visione 😉