Le grandi scoperte scientifiche russe che ci proiettano nel futuro

ESO/M. Kornmesser
Si devono a ricercatori russi alcuni dei recenti passi avanti in ambito scientifico, tecnico e matematico: dagli strumenti per trovare l’acqua su Marte, ai metamateriali, alle sensazionali innovazioni nel campo degli idrocarburi e dell’information technology

Gli strumenti rivoluzionari per la ricerca della vita su Marte

Il 28 settembre 2015, la missione Mars Science Laboratory, che si svolge principalmente con le attività del rover Mars Curiosity, ha annunciato di aver trovato prove di acqua salata che scorre sotto l’inospitale superficie di Marte. Grazie allo strumento Dan (Dynamic Albedo of Neutrons) di fabbricazione russa, la Nasa è stata in grado di mappare le quantità di idrogeno sotto la superficie, la sua distribuzione e la composizione chimica dell’acqua. 

Il Dan, l’unico strumento russo della missione, stava in realtà basandosi sulle informazioni ottenute da un altro strumento, l’Hend (High Energy Neutron Detector), un rivelatore di neutroni ad alta energia, realizzato dall’Istituto russo di ricerca spaziale per la missione Mars Odyssey della Nasa del 2001. Grazie a questo dispositivo, sono stati scoperti strati di acqua ghiacciata attorno ai poli del pianeta.

I dati dei due strumenti sono stati correlati per un quadro migliore. Inutile dire che queste missioni erano di fondamentale importanza, non solo per trovare l’acqua, ma anche la presenza di vita stessa. Perché dove c’è acqua, di solito c’è vita. 

Quantum metamateriali

Lo sforzo congiunto russo-tedesco per utilizzare materiali apparentemente improbabili come elementi di controllo nei circuiti elettrici superconduttori merita un approfondimento. Cosa rende i “metamateriali” così speciali? Bene, tradizionalmente pensiamo a un materiale come composto da atomi specifici che gli conferiscono le sue caratteristiche: densità, colore e così via. Ma con i metamateriali, queste proprietà sono governate invece dalla disposizione strutturale degli atomi. I metamateriali, quindi, appartengono al misterioso dominio quantistico, in cui le leggi della fisica diventano incredibilmente oscure.

I metamateriali sono costituiti da minuscoli nano-atomi, che a loro volta consistono in centinaia di metri di strutture complesse che sono impossibili da separare: cambiano proprietà al primo segno di interferenza. Utilizzando un campo magnetico, tuttavia, gli scienziati sono in grado di attivare e disattivare queste proprietà.

La svolta è stata ottenuta nel Laboratorio Misi di materiali superconduttori dell’Università Nazionale della Scienza e della Tecnologia e viene attribuito a piccole particelle chiamate “qubit” gemelle. A differenza dei qubit convenzionali, il qubit gemello si adatta e simula le proprietà di un determinato materiale o processo naturale. Le strutture di qubit si sono rivelate in grado di eseguire operazioni complesse (come il trasferimento di radiazioni elettroniche) pur restando a livelli quantici. Le implicazioni di questo sono enormi. Creando sistemi di qubit più complessi, è possibile ottenere simulatori quantistici, replicando e simulando le proprietà di processi e materiali reali. 

La formazione di idrocarburi èpotenzialmente infinita

Il problema del petrolio che si sta esaurendo è da tempo uno dei principali motori di conflitto in tutto il mondo. Ma l’importanza di trovare fonti di combustibile sostenibili non può essere sopravvalutata. Le conoscenze convenzionali affermano che la formazione di idrocarburi (l’elemento alla base del petrolio) è un processo biologico che coinvolge la rottura di tessuti organici morti e altri processi chimici all’interno della Terra, per poi formare “combustibili fossili”. Tuttavia, gli scienziati russi sono stati a lungo i sostenitori dell’idea della formazione di idrocarburi abiogenici derivanti da reazioni inorganiche solo circa 150 km sotto la superficie. Ancora una volta, nel 2017, sulla base di un suo precedente lavoro, Vladimir Kutcherov, insieme a Elena Mukhina e Anton Kolesnikov, ha ipotizzato che la profondità effettiva della formazione sia solo di 70 km.

Per mostrare la prova del processo, il team ha esposto il carbonio inorganico e l’acqua al tipo di pressioni e temperature che si trovano nel mantello superiore della Terra. Le prove sono state ridotte a soli 280-300 °C (rispetto ai precedenti 1000 °C), con pressioni di appena 2 o 3 GPa (rispetto ai precedenti 5 GPa).

“Ora vediamo che gli idrocarburi possono formarsi attraverso una vasta gamma di parametri mineralogici e termodinamici”, dice Mukhina nello studio, pubblicato sulla rivista “Scientific Reports”. “Ora sappiamo che questo processo non solo è possibile, ma è possibile quasi ovunque nel mantello.”

Secondo la squadra di ricerca, il mondo sta entrando in un’era di idrocarburi. Ciò che rimane è esplorare nuovi modi per portarli in superficie. “Sembra che ci siano molto più idrocarburi nelle profondità della Terra di quanto non si credesse prima”, aggiunge Mukhina. 

Perelman e la congettura di Poincaré

Molti forse ricorderanno la storia del matematico russo che ha rifiutato 1 milione di dollari di premio, Grigorij Perelman. Per coloro che non lo sanno, il solitario genio russo ha ricevuto il premio dal Clay Mathematics Institute di Cambridge, nel Massachusetts, ma ha detto no grazie.

Perelman, fino ad allora sconosciuto, ha ottenuto ampi consensi per aver risolto la congettura di Poincaré, uno dei sette grandi problemi irrisolti della matematica. James Carlson, il presidente del Cmi, ha dichiarato: “La risoluzione della congettura di Poincaré da parte di Perelman ha messo fine una ricerca della soluzione lunga un secolo. È un importante progresso nella storia della matematica che sarà ricordato a lungo”.

Le ragioni per le quali Perelman ha rifiutato il premio nel 2006 e ancora nel 2010 hanno sorpreso molti. “Non mi piace la decisione, lo considero ingiusto”, ha detto. “Ritengo che il contributo del matematico americano [Richard] Hamilton alla soluzione del problema non sia minore del mio.” 

La rivoluzione nelle tecnologie dellinformazione e della comunicazione

Zhores I. Alferov dell’Istituto Fisico-Tecnico Ioffe di San Pietroburgo è uno degli scienziati più premiati dell’Unione Sovietica e vincitore di numerosi premi per il suo contributo alla fisica. Ma nel 2000, insieme a Herbert Kroemer dell’Università della California, Santa Barbara, Alferov è andato oltre, vincendo il premio Nobel per la Fisica “per lo sviluppo delle eterostrutture dei semiconduttori utilizzate nell’elettronica ad alta velocità e nell’optoelettronica”

I semiconduttori sono materiali con proprietà sia di conduttori elettrici che di isolanti. Costituiscono la base della maggior parte delle componenti elettroniche che usiamo nella nostra vita quotidiana. Nel 1957, il primo transistor basato su eterostruttura fu proposto da Kroemer. Più tardi, nel 1963, insieme ma indipendentemente da lui, Alferov aveva proposto il concetto di laser a semiconduttore. Questi possono essere visti ancora oggi nei lettori di cd e possono essere usati per memorizzare e leggere i dati, oltre che per trasmettere informazioni lungo le fibre ottiche, come accade con i computer e Internet.

Le eterostrutture sono molto importanti anche per gli amplificatori ad alta frequenza a basso rumore, che vengono utilizzati in dispositivi che vanno dai telefoni cellulari fino ai satelliti.

I principi introdotti da Alferov e dai suoi collaboratori nel campo dell’information technology continuano oggi a trainare le innovazioni nel settore, mentre cerchiamo mezzi più rapidi per passare informazioni da un punto a un altro con meno ostacoli.

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