L'oro surriscaldato resiste alla 'catastrofe dell'entropia': Il nuovo metodo sfida la fisica stabilita.

23 luglio 2025

di Erin Woodward, Laboratorio nazionale SLAC National Accelerator

a cura di Gaby Clark, revisore Andrew Zinin

redattore scientifico

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Ricercatori che prendono la prima misurazione diretta della temperatura degli atomi in materiali estremamente caldi hanno involontariamente confutato una teoria vecchia di decenni e sconvolto la nostra comprensione del surriscaldamento.

È notoriamente difficile misurare la temperatura di cose davvero calde. Che si tratti del plasma ribollente nel nostro sole, delle condizioni estreme al centro dei pianeti o delle forze oppressive all'interno di un reattore a fusione, quello che gli scienziati chiamano 'materia densa e calda' può raggiungere centinaia di migliaia di gradi kelvin.

Sapere con precisione quanto siano caldi questi materiali è cruciale per i ricercatori per comprendere appieno sistemi così complessi, ma effettuare queste misurazioni è stato, fino ad ora, praticamente impossibile.

'Abbiamo buone tecniche per misurare densità e pressione di questi sistemi, ma non la temperatura,' ha detto Bob Nagler, scienziato dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia. 'In questi studi, le temperature sono sempre stime con ampi errori, che bloccano davvero i nostri modelli teorici. È un problema che dura da decenni.'

Adesso, per la prima volta, un team di ricercatori riporta sulla rivista Nature che ha misurato direttamente la temperatura degli atomi nella materia densa e calda.

Mentre altri metodi si basano su modelli complessi e difficili da validare, questo nuovo metodo misura direttamente la velocità degli atomi e quindi la temperatura del sistema. Già, il loro metodo innovativo sta cambiando la nostra comprensione del mondo: in un esordio sperimentale, il team ha sovraeccitato oro solido ben oltre il limite teorico, ribaltando inaspettatamente quattro decenni di teoria consolidata.

Nagler e i ricercatori del Matter in Extreme Conditions (MEC) at SLAC hanno co-diretto questo studio con Tom White, professore associato di fisica all'Università del Nevada, Reno. Il gruppo include ricercatori della Queen's University di Belfast, dell'European XFEL (X-ray Free-Electron Laser), delle Università di Columbia, Princeton, Oxford, California, Merced e di Warwick, Coventry.

Per quasi un decennio, questo team ha lavorato per sviluppare un metodo che evita le consuete sfide della misurazione delle temperature estreme, specificatamente la breve durata delle condizioni che creano tali temperature in laboratorio e la difficoltà di calibrare come questi sistemi complessi influenzino altri materiali.

'Finalmente, abbiamo preso direttamente e in modo inequivocabile una misurazione diretta, dimostrando un metodo che può essere applicato in tutto il settore,' ha detto White.

In condizioni estreme, come quelle nei cuori dei pianeti o nelle stelle in esplosione, i materiali possono entrare in altre fasi esotiche con caratteristiche uniche. Allo SLAC, i ricercatori stanno studiando alcune delle forme di materia più estreme ed esotiche mai create, in dettagli mai possibili prima d'ora.

All'istruzione MEC dello SLAC, il team ha usato un laser per sovraeccitare un campione di oro. Quando il calore ha attraversato il sottile campione di nanometri, i suoi atomi hanno iniziato a vibrare a una velocità direttamente correlata alla loro temperatura crescente. Il team ha poi inviato un impulso di raggi X ultraluminosi del Linac Coherent Light Source (LCLS) attraverso il campione sovraeccitato. Mentre si riflettevano dagli atomi vibranti, la frequenza dei raggi X si spostava leggermente, rivelando la velocità degli atomi e quindi la loro temperatura.

'La nuova tecnica di misurazione della temperatura sviluppata in questo studio dimostra che LCLS è all'avanguardia della ricerca sulla materia riscaldata con il laser,' ha detto Siegfried Glenzer, direttore della divisione High Energy Density Science dello SLAC e coautore del documento. 'LCLS, accoppiato a queste tecniche innovative, svolge un ruolo importante nell'avanzamento della scienza ad alta densità energetica e delle applicazioni trasformative come la fusione inerziale.'

Il team è stato entusiasta di aver dimostrato con successo questa tecnica - e mentre guardavano più in profondità i dati, hanno scoperto qualcosa ancora più emozionante.

'Siamo rimasti sorpresi di trovare una temperatura molto più alta in questi solidi sovraccaldata di quanto inizialmente previsto, che confuta una teoria consolidata degli anni '80,' ha detto White. 'Questo non era il nostro obiettivo originale, ma ecco di cosa si tratta la scienza - scoprire cose nuove che non sapevi esistessero.'

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Ogni materiale ha punti specifici di fusione e di ebollizione, che segnano la transizione da solido a liquido e da liquido a gas, rispettivamente. Tuttavia, ci sono delle eccezioni. Ad esempio, quando l'acqua è riscaldata rapidamente in contenitori molto lisci — come un bicchiere d'acqua in un microonde — può diventare 'surriscaldata', raggiungendo temperature superiori a 212 gradi Fahrenheit (100 gradi Celsius) senza effettivamente bollire. Questo avviene perché non ci sono superfici ruvide o impurità per innescare la formazione di bolle.

Ma questo trucco della natura comporta un rischio maggiore: più un sistema si allontana dai suoi normali punti di fusione ed ebollizione, più è vulnerabile a ciò che gli scienziati chiamano catastrofe — un improvviso inizio di fusione o ebollizione scatenato da un lieve cambiamento ambientale. Ad esempio, l'acqua che è stata surriscaldata in un microonde bollirà in modo esplosivo quando disturbata, potenzialmente causando gravi ustioni.

Mentre alcuni esperimenti hanno dimostrato essere possibile superare questi limiti intermedi riscaldando rapidamente i materiali, 'la catastrofe dell'entropia veniva comunque considerata il confine ultimo', ha spiegato White.

Nel loro recente studio, il team ha scoperto che l'oro era stato surriscaldato a incredibili 19.000 kelvin (33.740 gradi Fahrenheit) — più di 14 volte il suo punto di fusione e ben oltre il limite proposto della catastrofe dell'entropia — mantenendo comunque la sua struttura cristallina solida.

'È importante chiarire che non abbiamo violato la Seconda Legge della Termodinamica', ha detto White ridendo. 'Quello che abbiamo dimostrato è che queste catastrofi possono essere evitate se i materiali sono riscaldati estremamente rapidamente — nel nostro caso, entro triliardesimi di secondo.'

I ricercatori credono che il rapido riscaldamento abbia impedito all'oro di espandersi, consentendogli di mantenere il suo stato solido. I risultati suggeriscono che potrebbe non esserci un limite superiore per i materiali surriscaldati, se riscaldati abbastanza rapidamente.

SLAC permette di studiare materiali per impianti di energia da fusione e bersagli di combustibile per la fusione, così come osservazioni a livello atomico delle reazioni di fusione.

Nagler ha osservato che i ricercatori che studiano materia densa calda probabilmente hanno superato il limite della catastrofe dell'entropia per anni senza rendersene conto, a causa dell'assenza di un metodo affidabile per misurare direttamente la temperatura.

'Se il nostro primo esperimento con questa tecnica ha portato a una grande sfida per la scienza consolidata, non vedo l'ora di scoprire quali altre scoperte ci riservi il futuro', ha detto Nagler.

Come solo un esempio, i team di White e Nagler hanno utilizzato nuovamente questo metodo quest'estate per studiare la temperatura di materiali che sono stati compressi a scoppio per replicare le condizioni all'interno dei pianeti.

Nagler è anche desideroso di applicare la nuova tecnica — che può individuare le temperature degli atomi da 1.000 a 500.000 kelvin — alla ricerca in corso sull'energia da fusione inerziale presso SLAC.

'Quando un bersaglio di combustibile da fusione implode in un reattore a fusione, i bersagli si trovano in uno stato denso caldo,' ha spiegato Nagler. 'Per progettare bersagli utili, dobbiamo sapere a quali temperature subiranno importanti cambiameni di stato. Ora, finalmente abbiamo un modo per effettuare queste misurazioni.'

Maggiori informazioni: Thomas G. White et al, Surriscaldamento dell'oro oltre la soglia prevista della catastrofe dell'entropia, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09253-y

Informazioni sul giornale: Nature

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