La metamorfosi dell’acqua in oro è un concetto che non ha mai fatto parte delle fantasie alchemiche, nemmeno nelle menti più ardite degli alchimisti. Questi ultimi si sono sempre dedicati alla ricerca della leggendaria pietra filosofale, capace di convertire i metalli considerati vili in oro. Le origini di questa ricerca si possono far risalire a Zosimo di Panopoli (circa 300 d.C.) e arrivare fino al famoso romanzo del 1997 di J. K. Rowling, intitolato Harry Potter e la pietra filosofale.

L’importanza dell’oro nella storia

A partire dagli antichi Egizi, l’oro ha rappresentato molto più di un semplice simbolo di ricchezza; esso ha assunto un ruolo fondamentale nella mitologia e nella vita quotidiana delle civiltà. Il Regno di Lidia, oggi parte della Turchia occidentale, è stato il primo stato a utilizzare l’oro e le sue leghe come forma di commercio.

Un momento storico di grande rilevanza è rappresentato dalla scoperta di enormi giacimenti d’oro nell’America del Nord, particolarmente nel XIX secolo. Questo evento ha originato una vera e propria corsa all’oro, dove i cercatori, avvalendosi di strumenti semplici, riuscivano a estrarre ricchezze dai fiumi. Luoghi iconici come la California e il Territorio dello Yukon in Canada, hanno visto affluire migliaia di persone da ogni angolo del mondo nella speranza di arricchirsi, con la popolazione di San Francisco che è aumentata da circa 1.000 a 25.000 individui in appena due anni.

L’oro oggi e la sua estrazione

La corsa all’oro in California ebbe luogo nel contesto della Rivoluzione industriale, diventando un potente motore di crescita economica per gli Stati Uniti nel XIX secolo. L’abbondanza dell’oro influenzò l’espansione di vari settori, stimolando la domanda di materiali minerari, legname, abbigliamento e servizi di trasporto.

Negli ultimi anni, alcuni esperti hanno iniziato a considerare l’estrazione dell’oro dall’acqua di mare come un’opzione più promettente rispetto ai metodi tradizionali. Si stima che l’oro e altri metalli fuoriescano da sorgenti idrotermali, spesso situate più di un miglio sotto la superficie marina, accumulandosi sul fondale. L’oro è da sempre percepito come un bene rifugio, capace di mantenere il proprio valore durante i periodi di crisi economica e fluttuazioni di mercato. Se un giorno fosse possibile trasformare l’acqua in oro, significherebbe un drastico abbattimento del valore di questo metallo prezioso, simbolo incontrastato di ricchezza.

Nel campo della chimica, esistono reazioni affascinanti e dall’aspetto alchemico, che possono far apparire l’acqua come se si trasformasse in oro, sebbene non sia così semplice. Questa illusionistica trasformazione è un chiaro esempio di come “non è tutto oro quello che luccica”.

Per realizzare questa straordinaria reazione, vengono preparate due distinte soluzioni:

Soluzione A

Si utilizza 1 grammo di arsenito di sodio (NaAsO2), noto per le sue proprietà antisettiche e impiegato in insetticidi, erbicidi, nella conservazione di pelli e nella produzione di tinture, insieme a 50 mL di acqua e 5.5 mL di acido acetico glaciale (acido acetico anidro). La preparazione della soluzione A avviene mescolando l’arsenito di sodio nell’acqua, seguita dall’aggiunta dell’acido acetico glaciale.

Soluzione B

Per la soluzione B, si preparano 10 grammi di tiosolfato di sodio in 50 mL di acqua. Si ottiene così una soluzione che, se combinata con la soluzione A, darà luogo alla trasformazione visibile: bastano circa 30 secondi per notare come la soluzione, da limpida, assuma un colore dorato.

Reazioni chimiche coinvolte

orpimento

Le reazioni chimiche che portano alla percezione dell’acqua trasformata in oro prevedono inizialmente il tiosolfato di sodio che reagisce con l’acido acetico, generando solfuro di idrogeno, biossido di carbonio e ossido di sodio secondo la seguente equazione:
Na2S2O3 + CH3COOH → 2 H2S + 2 CO2 + Na2O

Successivamente, il solfuro di idrogeno prodotto reagisce con l’arsenito di sodio, dando origine a acqua, solfuro di arsenico (III) e solfuro di sodio:
2 NaAsO2 + 4 H2S → 4 H2O + As2S3 + Na2S

Il solfuro di arsenico, chimicamente simile ai composti minerali conosciuti come orpimento, è stato storicamente utilizzato come pigmento giallo. Tuttavia, i chimici non sono mai riusciti a trasformare il solfuro di arsenico in oro…

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Il processo di pirolisi a spruzzo consiste nella deposizione di una pellicola sottile su una superficie riscaldata attraverso la spruzzatura di una soluzione precursore. In questa fase avviene una reazione chimica che porta alla formazione dei composti desiderati, rendendo questa tecnica particolarmente utile per la preparazione di pellicole e rivestimenti ceramici.

Meccanismi e applicazioni della pirolisi a spruzzo

Questo metodo prevede la selezione dei reagenti chimici in modo da garantire che i prodotti indesiderati siano volatili alla temperatura di deposizione. La pirolisi è conosciuta fin dall’antichità per la sua capacità di trasformare il legno in carbone, processo che prevede il riscaldamento del materiale oltre la sua temperatura di decomposizione. Ad esempio, nell’antico Egitto, i prodotti della pirolisi del legno di cedro venivano utilizzati per la mummificazione.

La pirolisi a spruzzo ha visto una notevole evoluzione dal suo sviluppo nel 1966, quando veniva utilizzata per la crescita di semplici film sottili per celle solari. Negli anni ’90 e 2000, l’interesse per questa tecnica è aumentato, portando a progressi significativi grazie alla diversificazione delle soluzioni precursori e alla capacità di controllare la composizione e la morfologia dei materiali depositati.

Struttura e parametri del processo

La pirolisi a spruzzo impiega attrezzature come atomizzatori, riscaldatori e regolatori di temperatura per generare un aerosol che viene applicato al substrato. La soluzione precursore, atomizzata in una nebbia fine, viene quindi spruzzata in una camera di reazione riscaldata, dove il solvente evapora e avvengono le reazioni chimiche necessarie. Ogni goccia funziona come un microreattore, subendo cambiamenti fisici e chimici significativi.

Tra i fattori principali da considerare vi sono la temperatura di deposizione e la dimensione delle gocce, poiché entrambi influenzano la morfologia finale e lo spessore del film. La rugosità della superficie può essere controllata variando la temperatura del substrato durante il processo di deposizione.

I precursori scelti per la pirolisi a spruzzo sono vari e devono corrispondere alle specifiche del prodotto finale desiderato. Tipicamente, si utilizzano sali metallici oppure composti organometallici, che, attraverso il riscaldamento, si decompongono per generare il materiale di interesse.

Questa tecnica si dimostra utile in molteplici settori, dalla produzione di nanomateriali e semiconduttori alla fabbricazione di film sottili per applicazioni optoelettroniche, come schermi di visualizzazione e celle solari. Inoltre, viene impiegata nella creazione di rivestimenti ceramici in grado di proteggere substrati metallici dalla corrosione. I film di biossido di titanio, per esempio, possono anche migliorare la trasmissione della luce in vari dispositivi.

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I semiconduttori a banda larga, noti con l’acronimo WBG (Wide Band Gap), si caratterizzano per avere band gap energetici superiori a 3.2 eV. Questa peculiarità li distingue dai semiconduttori tradizionali come il silicio e l’arseniuro di gallio, i quali presentano band gap di 1.1 e 1.43 eV rispettivamente. Tali proprietà rendono i semiconduttori a banda larga particolarmente promettenti per applicazioni nei settori dell’elettronica e dell’optoelettronica.

Potenziale e Applicazioni

Le eccezionali capacità dei semiconduttori a banda larga hanno dato impulso allo sviluppo di una varietà di dispositivi integrabili in circuiti versatili, migliorando così le prestazioni e le funzionalità. Questi semiconduttori di terza generazione sono in grado di mantenere elevate prestazioni e stabilità anche ad alte frequenze, presentando al contempo caratteristiche come velocità di commutazione rapida, dimensioni ridotte e una rapida dissipazione del calore.

Essi mostrano proprietà elettroniche intermedie tra i materiali semiconduttori e gli isolanti tradizionali, ciò consente loro di operare a tensioni, frequenze e temperature nettamente superiori rispetto ai semiconduttori convenzionali. Il band gap più ampio, abbinato a una minore generazione termica dei portatori di carica, consente il funzionamento a temperature elevate, fino a 300°C e persino 900°C.

Caratteristiche del Band Gap

Il termine semiconduttori a banda larga deriva dall’ampiezza del loro band gap energetico, nettamente più elevato rispetto a quello del silicio convenzionale. Quest’ultimo rappresenta il divario energetico esistente tra la banda di valenza, ricca di elettroni, e la banda di conduzione, ove risiedono gli elettroni liberi.

Secondo la teoria delle bande, elaborata dal fisico svizzero Felix Bloch, la banda di valenza origina dall’interazione degli orbitali atomici di valenza degli atomi che compongono il materiale e può risultare completamente o parzialmente riempita di elettroni. Gli elettroni, nell’auspicio di ricevere energia sufficiente, possono superare il band gap e muoversi verso la banda di conduzione.

La banda di conduzione, quindi, è costituita da elettroni liberi e la sua energia è superiore a quella della banda di valenza. Normalmente, questa banda si presenta vuota, poiché deriva da orbitali atomici non occupati da elettroni.

L’organizzazione degli atomi può determinare se queste bande siano adiacenti o separate dal band gap, influenzando la facilità di passaggio degli elettroni fra le due bande.

Semiconduttori a Banda Larga di Riferimento

Alcuni dei principali esempi di semiconduttori a banda larga includono: carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN), ossido di zinco (ZnO), ossido di indio (In2O3), ossido di gallio (Ga2O3), nitruro di alluminio (AlN) e diamante.

Questi materiali presentano proprietà significative come alta mobilità elettronica, elevata tensione di rottura, elevata conduttività termica, eccellente assorbimento ottico e emissione di luce efficiente. La capacità di operare a temperature elevate è cruciale per applicazioni in ambienti sfidanti, come nel settore aerospaziale e automobilistico.

Le performance dei semiconduttori a banda larga superano quelle del silicio di circa dieci volte in termini di conduzione e velocità di commutazione, rendendoli ideali per l’elettronica di potenza. Questo consente la produzione di dispositivi più compatti, veloci, efficienti e capaci di resistere a tensioni e temperature superiori rispetto ai loro omologhi in silicio.

Grazie a queste proprietà, i semiconduttori a banda larga sono considerati materiali essenziali per applicazioni emergenti come i veicoli elettrici e la gestione dell’energia rinnovabile.

Carburo di Silicio (SiC)

Il carburo di silicio è il semiconduttore a banda larga più noto, caratterizzato da un alto punto di fusione, eccellente resistenza all’ossidazione, alta conduzione termica e resistenza meccanica. Questo materiale trova applicazione in diversi settori, tra cui strutture aerospaziali e biomateriali.

Una delle sue proprietà distintive è la notevole mobilità degli elettroni, che consente l’uso del SiC in dispositivi ad alta frequenza, incluse le applicazioni radio. Inoltre, il SiC presenta una scarso valore della costante dielettrica, il che implica un minor consumo energetico rispetto ad altri semiconduttori. Con una durezza di circa 9.5 nella scala di Mohs, è tra i materiali più resistenti disponibili.

Le ceramiche al carburo di silicio presentano resistenza a temperature estremamente elevate, fino a 1600°C, il che ne facilita l’uso in elementi riscaldanti per forni elettrici e come componenti nei termistori.

Nitruro di Gallio (GaN)

Il nitruro di gallio ha apportato un cambiamento notevole nel campo dell’illuminazione LED ad alta efficienza energetica. Scoperto dai ricercatori della Cornell University, le sue proprietà sono state pubblicate in una nota condotta nel settembre 2019.

Con una struttura di wurtzite monocristallina, può essere sintetizzato in molte forme, incluse nanoparticelle e nanotubi. Ha dimostrato elevate proprietà meccaniche, termiche e ottiche che variano in base alla dimensione dei nanocristalli, grazie al fenomeno del confinamento quantistico.

Il nitruro di gallio è un materiale promettente nelle tecnologie radiofrequenza e nella conversione di potenza, trovando ampio uso nell’optoelettronica. Tra le sue applicazioni più note vi è il diodo laser viola, utilizzato nei Blu-ray Disc e nelle memorie ottiche per contenuti HD e Ultra HD.

I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul nitruro di gallio sono fondamentali in vari settori, dalle comunicazioni all’industria della difesa. Le tecnologie di nitruro di gallio, cresciute su substrati di zaffiro, sono fondamentali per LED e illuminazione a stato solido.

Le nanostrutture di nitruro di gallio, grazie alle loro proprietà ingegnerizzabili, sono utilizzate in diversi dispositivi, da LED e celle solari a biosensori e fotocatalizzatori.

I semiconduttori al nitruro di gallio stanno emergendo come protagonisti nel campo dell’elettronica, grazie alla loro alta velocità e bassa emissione di carbonio, contribuendo in modo significativo nel potenziamento dei server nei data center.

Impiego e Futuro

L’uso dei semiconduttori a banda larga si sta espandendo rapidamente, principalmente nell’era del 5G e dei veicoli elettrici, dove la richiesta di elaborazione ad alta frequenza e di ricarica veloce è in aumento. Questi materiali sono impiegati in dispositivi di memoria avanzati che offrono velocità di lettura e scrittura superiori rispetto ai materiali tradizionali, consentendo una maggiore durata e un ridotto consumo energetico.

I semiconduttori a banda larga stanno migliorando la sensibilità dei sensori e l’efficienza energetica dei convertitori di potenza, degli inverter e dei motori. Nel settore delle telecomunicazioni, il loro funzionamento ad alta frequenza ha permesso l’ottimizzazione della gestione dell’energia.

In ambito optoelettronico, trovano applicazione in sistemi di imaging ad alta risoluzione per vari settori, tra cui quello scientifico e medico. I fotodetector a banda larga offrono soluzioni affidabili e accurate per il monitoraggio ambientale e industriale. Allo stesso modo, i dispositivi di visualizzazione traggono vantaggio dalle capacità di questi semiconduttori, permettendo miglioramenti in termini di risoluzione e consumo energetico.

Detto ciò, nonostante le evidenti performance superiori dei semiconduttori a banda larga, è importante notare che le loro soglie tecniche sono più elevate, e non tutte le applicazioni elettroniche richiederanno prestazioni di questo tipo. Pertanto, è prevedibile che i semiconduttori tradizionali continueranno a coexistire con quelli a banda larga nel prossimo futuro.

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L’esperimento della bottiglia blu rappresenta una reazione chimica di tipo orologio, apprezzata per la sua attrattiva visiva e la sua semplicità. Questo esperimento è frequentemente impiegato sia in ambito accademico che in attività pratiche di laboratorio. La sua pubblicazione risale al 1963 e fu introdotto da Campbell nel Journal of Chemical Education.

Descrizione della reazione dell’orologio

La reazione dell’orologio si verifica quando si osserva un cambiamento ciclico di colore, il quale può essere attribuito a reazioni di ossidoriduzione o a variazioni nella concentrazione di particolari componenti. Per eseguire l’esperimento della bottiglia blu, si prepara una soluzione acquosa con destrosio, idrossido di potassio e blu di metilene all’interno di una bottiglia chiusa contenente un po’ d’aria. In alternativa, è possibile utilizzare glucosio e idrossido di sodio per ottenere lo stesso effetto.

Nella bottiglia, le reazioni tra il destrosio e il blu di metilene, in presenza di una base, portano all’ossidazione della molecola zuccherina, inducendo la trasformazione del gruppo funzionale aldeidico o emiacetalico in un derivato dell’acido carbossilico.

Ruolo del blu di metilene

Il blu di metilene, noto anche come metiltioninio cloruro, è un composito aromatico sintetizzato la prima volta nel 1876 dall’azienda tedesca BASF. È un importante colorante che assorbe la luce visibile in un intervallo compreso tra 530 e 700 nm, con un picco massimo di assorbimento a circa 660 nm. Utilizzato come indicatore redox, il blu di metilene produce una soluzione blu in acqua, convertendosi in una forma incolore in ambiente riducente.

Il blu di metilene agisce anche come indicatore acido-base, cambiando il suo colore in base all’acidità o all’alcalinità della soluzione. In condizioni di pH inferiore a 7, può diventare incolore.

Quando nella soluzione alcalina vengono aggiunti zucchero e blu di metilene, inizialmente il colore blu è evidente, ma con il tempo diventa incolore. Il blu riappare quando si agita la bottiglia, dando origine a un ciclo di colorazioni che si alternano. La prima reazione coinvolge l’ossidazione del gruppo aldeidico dello zucchero, mentre la seconda comprende la trasformazione del blu di metilene da incolore a blu in presenza di ossigeno.

Metodica e variazioni dell’esperimento

Per preparare l’esperimento, si aggiungono 8 g di idrossido di potassio a 300 mL di acqua in una beuta da 500 mL. Dopo aver mescolato, si uniscono 10 g di destrosio e alcune gocce di blu di metilene. Infine, si riporta il volume a 500 mL con acqua e si copre la beuta. Durante l’attesa, la soluzione diviene incolore. Agitando, il blu riappare, ripetendo questo fenomeno per un intervallo di 10-15 minuti, con la possibilità di studiare le velocità di reazione.

Nel corso degli anni, l’esperimento ha visto molteplici modifiche, consentendo l’impiego di alternative al blu di metilene, come la resazurina, che può variare il colore in funzione dell’ambiente ossidato o ridotto. Sono state sviluppate anche varianti ecologiche su base di acido ascorbico, e un altro indicatore alternativo è il carminio di indaco, il quale diventa giallo durante il processo di riduzione.

Per realizzare la variazione dell’esperimento con il carminio di indaco, si creano due soluzioni: una contenente glucosio e l’altra idrossido di sodio. Mescolando le soluzioni e versando da un’altezza adeguata per aumentare la dissoluzione dell’ossigeno, si osserverà un cambiamento di colore che segue un ciclo da blu a verde, fino a rosso/giallo dorato.

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