Il fisica dello stato solido è la branca della fisica che si occupa dello studio della materia quando è in uno stato di bassa energia, denominata stato solido, utilizzando teorie fisiche come la meccanica quantistica, la fisica statistica, la termodinamica, l'elettromagnetismo e la cristallografia.
Allo stato solido, l'energia di attrazione intermolecolare è inferiore all'energia termica, quindi le molecole difficilmente possono vibrare intorno a posizioni più o meno fisse. Alcuni solidi sono amorfi a livello molecolare, mentre altri hanno una struttura più ordinata, come i cristalli..
Alcuni esempi di materiali solidi sono sabbia silicea, vetro, grafite (carbone minerale), sale comune, zucchero raffinato, ferro, rame, magnetite, quarzo e molti altri.
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I materiali solidi hanno la caratteristica principale che, in condizioni normali, cioè se non sono sottoposti a grandi sollecitazioni esterne, mantengono il loro volume e la loro forma..
Questo è in contrasto con i liquidi che, sebbene possano mantenere il loro volume, cambiano forma adattandosi al contenitore che li contiene. Il contrasto è ancora maggiore con i gas, poiché possono essere compressi o espansi modificandone il volume e la forma..
Tuttavia, i solidi possono variare il loro volume quando sono soggetti a variazioni di temperatura sufficientemente ampie da avere effetti notevoli, ma senza una transizione di fase a un altro stato della materia..
I solidi possono essere amorfi nella loro struttura molecolare interna. Ad esempio, il vetro è un materiale amorfo, anche considerato da molti un liquido troppo raffreddato. Tuttavia, quarzo e diamante hanno una struttura cristallina, cioè i loro atomi seguono disposizioni regolari e spazialmente periodiche..
La fisica dello stato solido studia la relazione tra proprietà su scala macroscopica (migliaia o milioni di volte maggiori della scala atomica) e proprietà su scala molecolare o atomica..
In un solido, gli atomi sono molto vicini tra loro e l'interazione tra loro determina le loro proprietà su scala macro, come le loro caratteristiche meccaniche: rigidità e duttilità, nonché le loro proprietà termiche, magnetiche, ottiche ed elettriche..
Ad esempio, conducibilità, capacità termica e magnetizzazione sono proprietà macroscopiche dei solidi che dipendono direttamente da ciò che accade su scala molecolare o atomica..
Un chiaro esempio dell'importanza della fisica dei solidi sono i semiconduttori. Comprendere le loro proprietà a livello microscopico consente lo sviluppo di dispositivi come transistor, diodi, circuiti integrati e LED, solo per citare alcune applicazioni..
A seconda delle condizioni di pressione e temperatura, nonché dei processi seguiti durante la loro formazione, i materiali solidi acquisiscono una certa struttura microscopica..
Ad esempio, materiali dissimili come la grafite e il diamante sono composti esclusivamente da atomi di carbonio. Ma le loro proprietà sono completamente diverse, perché nonostante siano composte dallo stesso tipo di atomi, le loro strutture microscopiche differiscono enormemente..
Gli specialisti della metallurgia sanno che, partendo dallo stesso materiale, con trattamenti termici differenti, si ottengono risultati molto diversi nella realizzazione di pezzi, come coltelli e spade. Diversi trattamenti portano a diverse strutture microscopiche.
A seconda della loro formazione, i solidi possono fondamentalmente presentare tre tipi di strutture microscopiche:
La fisica dei solidi si basa su principi fondamentali per spiegare le proprietà dei materiali solidi, come la conduttività termica e la conduttività elettrica..
Ad esempio, applicando la teoria cinetica agli elettroni liberi in un metallo, vengono trattati come se fossero un gas..
E supponendo che gli ioni formino un substrato immobile, è possibile spiegare sia la conduttività elettrica che la conduttività termica dei metalli. Sebbene, nella versione classica di questo modello, la conducibilità termica degli elettroni liberi sia maggiore di quella ottenuta dalle misurazioni in materiali conduttivi..
Lo svantaggio viene risolto introducendo correzioni quantistiche al modello di elettroni liberi di un solido conduttore. Inoltre, se si presume che seguano la statistica di Fermi-Dirac, le previsioni teoriche concordano più precisamente con le misurazioni sperimentali..
Tuttavia, il modello dell'elettrone libero non può spiegare la conduttività termica dei solidi diversi dai metalli..
In questo caso, deve essere presa in considerazione l'interazione degli elettroni con il reticolo cristallino, che è modellato da un potenziale periodico nell'equazione di Schrodinger. Questo modello prevede le bande di conduzione degli elettroni dipendenti dall'energia e spiega la conduttività elettrica nei solidi semiconduttori, un tipo di solido intermedio tra isolante e metallo conduttivo..
La fisica dello stato solido si è evoluta al punto che ha permesso la scoperta di nuovi materiali come nanomateriali solidi con proprietà uniche e straordinarie.
Un altro caso esemplificativo nel progresso della fisica dei solidi è lo sviluppo di materiali bidimensionali o monostrato, seguito da diverse applicazioni come le celle fotovoltaiche e lo sviluppo di circuiti integrati a semiconduttore..
Il classico esempio di materiale bidimensionale è il grafene, che altro non è che grafite monostrato e che è stata ottenuta per la prima volta nel 2004.
Altri esempi di solidi bidimensionali sono: fosforene, piombo, silicene e germacene.
La superconduttività è stata scoperta nel 1911 dall'olandese Kamerlingh Onnes (1853-1926) quando ha sottoposto materiali conduttivi come mercurio, stagno e piombo a temperature molto basse (dell'ordine di 4K)..
La superconduttività ha importanti applicazioni tecnologiche, come i treni a levitazione magnetica, purché possa essere ottenuta a temperature elevate (idealmente a temperatura ambiente).
La fisica dei solidi è alla ricerca di superconduttori, ovvero alte temperature al di sopra della temperatura dell'azoto liquido (77 K), una temperatura relativamente facile ed economica da ottenere. Ad oggi, il superconduttore a temperatura più elevata è un solido ceramico che raggiunge questo stato a una temperatura di 138 K o -135ºC..
I solidi fortemente correlati sono composti fermionici pesanti che hanno proprietà insolite e un grande potenziale tecnologico. Ad esempio, possono essere manipolati per passare da isolanti a conduttori attraverso campi magnetici.
Lo sviluppo di questo tipo di solidi ha anche consentito ai dispositivi di memorizzazione magnetica delle informazioni di aumentare esponenzialmente la loro capacità negli ultimi decenni..
Esempi di solidi.
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