Dall'inversione di spin magnetico alla lotta agli incendi

La definizione delle condizioni che provocano la "deflagrazione magnetica”, ossia il rapido propagarsi dell'inversione di spin nei materiali magnetici che può essere scatenata da un innesco energetico, può contribuire a mettere a punto e testare modelli validi per gli incendi e per altre reazioni chimiche esotermiche che seguono le stesse leggi .

La scoperta del modo in cui l'energia è liberata e dispersa nei materiali magnetici potrà contribuire a migliorare le tecnologie di accumulo dell'energia, ma anche a combattere gli incendi boschivi. La dinamica, più o meno virulenta, con cui gli incendi si propagano, al pari di altre reazioni chimiche esotermiche, è infatti governata da leggi simili a quelle a regolano l'inversione di spin degli atomi di un materiale magnetico. 

Punto di partenza della ricerca – condotta da Pradeep Subedi e colleghi della New York University e dell'Università di Barcellona e pubblicata sulle “Physical Review Letters” - è stato un problema di progettazione relativo all'uso, potenzialmente interessante, di materiali magnetici per l'immagazzinamento di energia: con questi materiali può infatti verificarsi una “deflagrazione magnetica”, con un rilascio rapido e incontrollato dell'energia immagazzinata, i cui meccanismi non sono ancora del tutto chiari. 

Per stabilire le condizioni in cui può scattare la deflagrazione magnetica, Subedi e colleghi hanno esaminato un cristallo di Mn12-acetato (un composto di acetato e di manganese), che è dotato di proprietà magnetiche: ogni molecola di questo cristallo ha cioè un momento di magnetico di spin che è energeticamente vincolato a puntare in una di due direzioni opposte. Normalmente, questi due stati hanno la stessa energia, ma se viene applicato un opportuno campo magnetico esterno, gli spin antiparalleli rispetto al campo sono portati a un livello di energia superiore rispetto a quelli paralleli, in uno stato cioè “metastabile”. Tuttavia, poiché entrambi gli orientamenti hanno un'energia comunque inferiore rispetto un orientamento intermedio, gli spin antiparalleli non ruotano, invertendosi, a meno di non ricevere un'ulteriore energia di attivazione. 

Nel loro esperimento i ricercatori hanno raffreddato a una temperatura di 0,4 kelvin un cristallo di Mn12-acetato in cui tutti gli spin puntavano in un'unica direzione, al quale hanno poi applicato un campo magnetico in direzione opposta alla polarizzazione degli spin nel cristallo, così da portare gli spin antiparalleli nello stato metastabile. A questo punto hanno fornito calore a un'estremità del cristallo. 

Variando intensità del campo e del calore hanno potuto stabilire che se il campo applicato è debole, l'inversione degli spin si propaga lentamente, alla stessa velocità con cui si propaga il calore lungo il cristallo. Al di sopra di una certa soglia di intensità del campo, però, l'energia rilasciata da una singola inversione di spin è in grado di innescare l'inversione degli spin adiacenti. In questo modo la propagazione dell'inversione del momento magnetico avviene a una velocità circa 1000 volte superiore a quella della diffusione termica: è la deflagrazione magnetica. 

Sulla base delle loro osservazioni, i ricercatori hanno stabilito le condizioni di innesco di questa deflagrazione, che è funzione dell'energia di attivazione del processo di inversione di spin, della quantità di energia rilasciata in ogni evento di inversione e della velocità con cui il calore si diffonde attraverso il materiale.

I ricercatori si dicono fiduciosi del fatto che il modello magnetico ottenuto possa contribuire a definire e testare modelli di incendi e di altre reazioni chimiche esotermiche: "Quello che rende il modello davvero bello dal punto di vista sperimentale – osservano - è che possiamo studiare queste reazioni e quindi ripristinare il sistema. Non stiamo bruciando realmente qualcosa e non dobbiamo ogni volta buttare via la cenere e ricominciare da capo ".
[fonte lescienze]

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