polimorfismo

polimorfismo

Fenomeno per il quale un elemento o un composto chimico si presenta sotto forma di fasi dotate di struttura diversa, termodinamicamente stabili in intervalli più o meno estesi di pressione e temperatura. Esempi tipici di questi sistemi sono il carbonio, il silicio, la silice, molti metalli. Le proprietà di questi sistemi possono essere rappresentate in diagrammi di fase temperatura/pressione nei quali i campi di stabilità delle diverse fasi sono delimitati da curve. L’andamento delle curve che identificano i limiti di stabilità delle fasi segue l’equazione di Clapeyron, per la quale la temperatura di trasformazione di una fase nell’altra aumenta o diminuisce all’aumentare della pressione applicata, in base al segno della differenza tra i volumi molari delle due fasi. Il numero di varietà polimorfe (politipi) stabili può essere estremamente diverso da un materiale all’altro e l’evidenza completa di questa varietà di strutture può essere ottenuta solamente se si compiono esperienze in un intervallo estremamente ampio di temperature e pressioni. Le tecniche di nanoindentazione sono state particolarmente utili a questo scopo, perché hanno permesso di identificare fasi stabili a pressione elevata, come nel caso del silicio, di cui si sono evidenziati 11 politipi stabili. Il caso del silicio è particolarmente interessante perché si può osservare come l’evoluzione strutturale dei politipi all’aumentare della pressione segua una sequenza che va da strutture aperte a strutture sempre più compatte, con il passaggio da una struttura tipo diamante a una struttura cubica a facce centrate. Contemporaneamente ha luogo una variazione del numero di coordinazione, che assume il valore 4 solo nella forma a struttura diamante, garantendo al silicio le proprietà di semiconduttore; tutte le altre fasi, tra le quali il silicio liquido, dove il numero di coordinazione è 6, mostrano comportamento metallico. Un altro esempio interessante è quello del carbonio, soprattutto per quanto riguarda la stabilità della fase diamante, e in particolare la determinazione delle condizioni di formazione in condizioni ‘geologiche’. Sulla base del diagramma di fase, ora ben conosciuto, è ipotizzabile che la crescita dei diamanti all’interno della crosta terrestre abbia richiesto condizioni di temperatura e pressione straordinariamente elevate, se il processo ha avuto luogo a partire da un liquido. Condizioni molto più blande sono invece richieste se la cristallizzazione ha luogo a partire dalla grafite. Questo processo è utilizzato per la crescita industriale di diamanti artificiali.

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