Buongiorno io mi chiamo Paolo olero sono professore ordinario in fisica della materia presso il dipartimento di fisica dell'università di Torino In questa breve lezione vorrei presentarvi una tematica credo molto evocativa cioè incentrata su un materiale molto particolare molto speciale il diamante parlare di Diamante evoca subito eh pensieri relativi a pietre preziose gioielle e cose di questo tipo uno degli obiettivi principali di questo breve seminario è raccontare con un piglio diciamo divulgativo la rilevanza che questo materiale ha in un contesto che è molto lontano da quello della gioielleria e delle piete preziose Ma che è quello della Scienza e della tecnologia il diamante come vi mostrerò nelle da venire È un materiale che in effetti negli ultimi decenni si è consolidato come un materiale di grande rilevanza per applicazioni scientifiche quindi di natura un pochettino più speculative ma anche tecnologiche cioè di di tecnologie che sono già di uso comune sul mercato e nel contesto in cui viviamo e Cominciamo con una breve introduzione di carattere sintattico il nome stesso Diamante è già narrativo di di una delle proprietà di questo materiale che sono una delle tante proprietà come vi mostrerò che sono All base della sua rilevanza tecnico-scientifica Ovvero la sua durezza Diamante È un'espressione che deriva dal greco Che significa indistruttibile quindi già nell'antichità questa questa pietra era nota per essere un materiale di grandissima durezza il materiale Diamante il diamante è un materiale che in un contesto più scientifico abbiamo imparato a conoscere molto bene e che è sostanzialmente una delle tante forme in cui si può presentare un materiale molto un elemento molto comune che è il carbonio quindi ma sintesi il diamante non è nient'altro che un un cristallo di carbonio ed è una delle possibili forme che può formare il cristallo alcune di queste cristalline macro cristalline cioè cristalli di dimensioni macroscopiche mi riferisco alla grafite che è un materiale molto diverso dal Diamante Ma che è esso stesso basato al 100% su su carbonio anch'esso ed è anch'esso un cristallo ci sono forme macroscopiche del carbonio che vanno sotto il nome di carbonio morfo ce ne sono varie tipologie che sono classificate in base a vari parametri strutturali e il il il carbonio morfo chiaramente non è un cristallo in senso stretto cioè non è un reticolo periodico e ordinato di atomi ma è anch'esso un materiale di grande rilevanza anche se oggi non ci dilungheremo molto su di esso ma è molto importante nel contesto dei rivestimenti e così via E poi oltre a Diamante grafite e carbonio amorfo ci sono diverse tipologie di nanostrutture basate sul carbonio quando usiamo il prefisso nano intendiamo delle dimensionalità che sono dell'ordine del del miliardesimo di metro e quindi sono strutture che hanno dimensionalità su questa scala nanoscopica che sono alcune possono essere minimamente familiari nel contesto della divulgazione scientifica il fullerene cioè una nanosfere di atomi di carbonio i nanotubi di carbonio più recentemente ha tratto un grande interesse il grafene Il grafene è una in un certo senso nanostruttura a tutti gli effetti una struttura bidimensionale e che consiste in uno singolo strato di grafite allora riprendiamo i i macrocristalli Allora il diamante è un reticolo periodico di atomi di carbonio che sono legati tra di loro da un particolare tipo di legame chimico sp3 lo andiamo a vedere a breve nella prossima slide la grafite an cresso un cristallo basato su un legame chimico di natura diversa mi ricollego alla graffite per appunto menzionare il grafene che consiste sostanzialmente in un singolo piano del del della struttura cristallina della graffite è un materiale di grande interesse tant'è che l'attribuzione di un premio Nobel è di relativamente recente su questo materiale un materiale che ha tratto un grande interesse per applicazioni scientifiche A livello mondiale soffermiamoci un po' di più su su questa molteplicità di legami chimici che può formare il carbonio il carbonio lo potremmo introdurre come un elemento chimico estremamente versatile è un elemento chimico di grande abbondanza sul nostro pianeta e direi che il suo tratto distintivo quantomeno in questo contesto cioè quando consideriamo la grande varietà di forme strutturali in in lessico più scientifico si parla di forme allotropiche questa grande varietà di forme strutturali deriva proprio dalla notevole versatilità di questo elemento chimico che può dar luogo a diversi tipi di legame chimico senza entrare troppo in dettagli chimic fisici il diamante è un cristallo che si basa su sul tipo di legame chimico che trovate indicato più a destra nella slide sp3 che è una nomencl che identifica un certo tipo di legame chimico che è detto covalente e che e un legame chimico che consente agli atomi di carbonio di formare quattro legami con gli atomi primi vicini quindi il diamante è un cristallo estremamente rigido estremamente saldo nei suoi legami chimici e i legami chimici sono i quattro legami chimici che vedete appunto evidenziati qua sulla destra sono quattro legami chimici che si sviluppano nello spazio verso i vertici di un tetraedro la grafite Come dicevamo prima sempre carbonio ma un legame chimico sostanzialmente diverso tale da formare un cristallo che ha proprietà radicalmente diverse da quelle della del diamante abbiamo tre legami chimici che questa volta sono detti SP2 non mi dilungo più di tanto nelle motivazioni di ciò che sta dietro a queste nomenclature ma sono sostanzialmente le notazioni degli orbitali atomici e della loro ibridazione che stanno alla base di queste nomenclature sono tre legami chimici che a differenza del caso dell'S3 si sviluppano su un piano e formano questi tre legami chimici ad angoli uguali di 120° c'è ancora una terzo tipo di ibridazione che è l's1 e che dà luogo a dei legami chimici che invece si sviluppano Linear su una specie di catena Ecco questa notevole varietà di diversi legami chimici non è così comune a cavallo della tavola periodica e a Cav e in un certo senso possiamo dire che alla base della scelta evolutiva Se volete del carbonio come elemento che sta alla base della vita il carbonio Noi siamo forme di vita a base di Carbon e il fatto che in un certo senso l'evoluzione abbia scelto questo elemento chimico come uno dei mattoni fondamentali degli organismi chimici Tra le altre cose è proprio basata su questa versatilità quindi il carbonio un elemento chimico versatile questa varietà di diverse strutture che tipo di riscontro ha in natura Ovvero se il carbonio può formare cristalli di ante o può formare cristalli di grafite o altri tipi di strutture Quali sono i criteri sulla base dei quali io posso prevedere che tipo di struttura incontro nel mondo che mi che mi circonda per rispondere a una domanda come questa la fisica utilizza uno strumento ben consolidato e che è il concetto di diagramma di fase il diagramma di fase è sostanzialmente un grafico che riporta sugli assi orizzontale e verticale delle ascisse delle ordinate due condizioni ambientali estremamente rilevanti in questo contesto che sono la temperatura e la pressione in questo grafico vedete sull'asse orizzontale la temperatura vediamo degli uno dei due dei tre però dobbiamo notare che la temperatura è espressa in iia di Kelvin quindi già sulla tacca numero un dell'asse delle ascisse noi vediamo Siamo in corrispondenza di una temperatura di 1000 Kin che corrisponde a una temperatura diciamo grosso modo di 700° Celsius qui una temperatura molto alta e poi ci sono via via temperature sempre maggiori sull'asse verticale troviamo delle pressioni che sono espresse in gigapascal il Pascal è l'unità di misura nel sistema internazionale della pressione ci sono altre unità di misura della pressione che sono la l'atmosfera il il millibar e così via nel sistema internazionale bisogna utilizzare il Pascal gigapascal vuol dire miliardi di Pascal e quindi sull'asse verticale trovate indicate le pressioni in miliardi di Pascal anche queste sono pressioni molto elevate tant'è che Nell'angolo In basso a sinistra di questo grafico voi trovate una piccola indicazione analoga a quelle che si trovano diciamo nelle mappe cittadine voi siete qui Ecco noi siamo qui le temperature e le pressioni riportate in questo grafico sono così elevate che le condizioni ambientali di pressione e temperatura quindi grosso modo 300 Kin di temperatura una ventina una trentina di gr celus la pressione di un'atmosfera Ecco queste condizioni le condizioni in cui ci troviamo abitualmente sono in un angolino in basso a sinistra di questo grafico questo grafico il diagramma di fase ha lo scopo di mappare su questa su questa mappa pressione e temperatura le regioni in cui il carbonio si presenta in forma solida oppure liquida oppure gassosa Quindi voi trovate Liquid e Vapor quindi nelle regioni che trovate indicato in Viola e in verde trovate il carbonio in forma liquida in forma gassosa non trovate semplicemente Solid ma trovate due le due alternative forme cristalline del carbonio indicate come Diamond E graphite quindi che cosa ci sta dicendo questo grafico che noi che siamo in questo angolino in basso a sinistra si nel assolutamente nel bel mezzo di una regione di stabilità del carbonio in forma grafite Quindi quando noi ci troviamo a pressione a temperatura ambiente ma anche a pressione temperatura decisamente superiori a quelle ambientali la forma strutturale cristallina più stabile del carbonio è la grafite qui noi dobbiamo aspettarci di trovare intorno a noi il carbonio che forma una forma cristallina che è quella della grafite per trovare tra virgolette la forma Diamante come una forma invece più stabile per il carbonio ci dobbiamo spingere per così dire molto più in là in questo diagramma Cioè dobbiamo salire a pressioni estremamente elevati elevate cioè superiori al miliardo di gigapascal grosso modo e a temperature che possono essere anche relativamente basse ma però ma a pressioni molto grandi oppure a temperature estremamente elevate Nell'angolo In alto a destra di questo diagramma quindi questo diagramma ci sta dicendo che per trovare in forma stabile il carbonio il Scusate il diamante noi dobbiamo trovare a pressioni e a temperature elevatissime in condizioni ambientale il carbonio forma invece la grafite a questo punto la domanda nasce spontanea Ma perché intorno a me Io vedo non soltanto delle matite che hanno una mina di grafite o diciamo delle rocce che contengono grafite Ma intorno a me in condizioni ambientali io vedo anche dei cristalli di Diamante se questo diagramma mi dice che invece il diamante si può formare soltanto ad altissime pressioni e temperatura qui subentra un concetto essenziale per capire in generale Che cos'è il diamante e che sarà particolarmente rilevante quando cercherò di presentarvi alcuni argomenti un pochettino più specialistici che sono sostanzialmente legati all'attività di ricerca che insieme al nostro gruppo di ricerca all'Università di Torino portiamo avanti su questo materiale ed è il concetto di Met stabilità della struttura di Diamante in generale in fisica parliamo di Met stabilità quando identifichiamo una configurazione della materia o di un qualche altro sistema che è relativamente stabile la proprietà di un sistema di essere stabile è sostanzialmente quella di restare configurato nello stesso modo a fronte di perturbazioni immaginate una sfera che sta sul fondo di una ciotola sul fondo di una ciotola la sfera a riposo sul fondo di questa ciotola È chiaramente stabile perché a fronte di una piccola spinta di una forza che noi esercitiamo su questo sistema il sistema terne tende a a ritornare in questo punto di stabilità una sfera invece che si trova diciamo su una cuspide su una sulla vetta di una punta di una montagna è un sistema estremamente instabile perché se io lo perturbo la sfera cade giù e rotola e cessa di trovarsi in quello stato la condizione di Met stabilità è una condizione per così dire intermedia questi due scenari un sistema Met stabile e un sistema che ha la proprietà di restare per l'appunto stabile a fronte di diciamo piccole perturbazioni a fronte di piccole spinte se volete ma a fronte di grandi perturbazioni invece il sistema perde la sua caratteristica di stabilità Ecco è molto importante comprendere che la forma cristallina del diamante quantomeno nelle nostre condizioni ambientali standard è una condizione metastabile Cosa vuol dire vuol dire operativamente che se noi cerchiamo di modificare la struttura di un diamante il diamante manifesta una certa stabilità e resta un diamante per essere ancora più specifici perché poi questo diventerà molto pertinente alla presentazione che andrò a farvi sulle nostre attività di ricerca se io introduco un difetto reticolare e modifico la struttura cristallina del diamante questa ha la tendenza di ritornare a riformare un cristallo di Diamante Quindi se io sposto un atomo di carbonio dal suo sito reticolare nel nel cristallo di Diamante questo tende a tornare nella sua configurazione Diamante Se però io introduco una quantità di disordine all'interno di un cristallo di Diamante che è critica che è eccessiva Ecco che allora questa struttura perde la sua caratteristica di stabilità E sostanzialmente il cristallo collassa nella forma che è davvero quella più stabile che è quella della grafite Il tutto sempre a pressione a temperatura ambiente Nella linea che vedete tratteggiata qua nella per così dire nell'isola dello diagramma di fase che è etichettata come grafite la regione tratteggiata è la regione in cui il diamante si può presentare in forma metastabile Alle alte pressioni e temperature il diamante e la forma più stabile si invertono i ruoli Viceversa la regione tratteggiata e la regione in cui la grafite può ancora presentarsi Come forma metastabile quindi per rispondere alla nostra domanda iniziale Perché intorno a me Io vedo dei Diamanti Perché vedo un diamante come un oggetto a tutti gli effetti stabile sull'anello al dito di una persona Beh lo vedo come stabile Perché per l'appunto a pres temperature ambientali il diamante è presente in forma metastabile e se non perturbo eccessivamente la sua struttura questo resta un diamante questo però pone un'altra domanda inteso che i diamanti sono delle strutture cristalline Met stabili Come si sono formate queste strutture intorno a noi Beh la risposta è queste strutture non si possono formare intorno a noi in condizioni termodinamiche cioè di pressione temperatura standard si devono formare quantomeno in natura i diamanti in quelle condizioni sul nostro pianeta dove si sviluppano altissime pressioni altissime temperature questo succede per esempio a molti chilometri di profondità sotto la superficie terrestre sotto nel manto terrestre si sviluppano delle enormi pressioni delle altissime temperature ed è nelle profondità della terra che si formano naturalmente i diamanti succede occasionalmente che dei cristalli di Diamante che si formano e si possono soltanto formare in quelle condizioni nelle profondità della terra abbiano occasione di emergere sulla superficie della Terra un esempio un esempio per esempio nel caso delle eruzioni vulc Quando un vulcano er rutta il magma che migra ed esce dal dal dal vulcano si fa vettore trasporta delle pietre dalle profondità della terra che contengono dei cristalli dei Diamanti questi diamanti che si sono formati sotto terra raggiunte le pressioni e le temperature ambientali sulla superficie della Terra restano dei Diamanti proprio in considerazione di questa proprietà che abbiamo detto della Met stabilità del cristallo un'altra opzione che abbiamo un'opzione che noi conosciamo benissimo È quella dei diamanti di andarcene immagine vedete quello che è informalmente noto come uno dei più grandi buchi della terra cioè uno dei più grandi fori artificiali costruiti sulla terra una miniera di Diamante Ormai credo pressoché esausta con cui noi appunto scavando nelle profondità terrestri andiamo a ritrovare questi Preziosi cristalli che si sono formati ad alte pressioni ad alte temperature nella in condizioni naturali quando possiamo sviluppare alte pressioni ad alte temperature cioè quelle condizioni che sono favorevoli alla formazione di un cristallo di Diamante Beh per esempio durante un impatto meteoritico se un meteorite impatta sulla superficie terrestre in concomitanza con l'impatto si sviluppano come potete facilmente immaginare delle altissime pressioni e delle di altissime temperature e prova ne è il fatto che in concomitanza in prossimità dei crateri meteoritici sul nostro pianeta noi troviamo la formazione di diamanti spesso a dimensioni molto piccole sono micro nano diamanti ma sono diamanti che si sono formati in concomitanza con l'impatto del meteorite Questa è semplicemente un'altra condizione naturale in cui si sviluppano alte pressioni ed alte temperature se in in concomitanza con questa situazione ci sono dei materiali a base di carbonio Questi materiali a Case carbonio collassano nella loro forma più stabile che appunto quella del diamante c'è una sorta di controversia ma per controversia Intendo una domanda per certi versi ancora aperta in ambito scientifico quantomeno ancora discussa c'è Chi sostiene che è possibile che diamanti che noi troviamo nelle prossimità dei crateri meteoritici in realtà siano dovuti al fatto che sono diamanti che sono stati trasportati dal meteorite sulla terra ma che erano già presenti sul meteorite perché c'è la possibilità che i diamanti si formino nelle profondità degli dello spazio ma su questo punto torneremo lo l'oggetto di questa breve lezione non è quella di parlarvi però di un materiale naturale e delle sue implicazioni Appunto gioieller istiche Se volete ma è quello di parlarvi di un materiale che ha una rilevanza scientifica e tecnologica Quindi cerchiamo di focalizzarci adesso su del su degli aspetti di natura tecnologica possiamo sintetizzare questo materiale Sì la risposta è sì vi farò vedere che al giorno d'oggi una notevole frazione dei diamanti che sono intorno a noi per varie applicazioni sono per la verità diamanti artificiali Come possiamo realizzare la sintesi del diamante artificiale Beh in prima in prima battuta possiamo fare la cosa che appare più immediata cioè di realizzare delle artificialmente delle condizioni fisiche che sono quelle di alta pressione alta temperatura l'acronimo hph HT che vedete qua a titolo della slide è l'acronimo che identifica una tipologia di sintesi dall'inglese High pressure High temperature in cui con strumenti artificiali in buona sostanza con delle presse con delle grandi presse che sono in grado di sviluppare delle altissime pressioni e anche delle altissime temperature noi prendiamo un materiale precursore che è della grafite e processo a queste altissime pressioni a queste altissime temperature lo Trasformiamo inevitabilmente in un diamante perché ha queste alte pressioni di alte temperature la struttura più stabile del carbonio è il diamante quindi a partire dagli anni 80 grosso modo si sono sviluppate quelle tecnologie che consentono una produzione su scala industriale di diamanti artificiali con questa tecnica di sintesi [Musica] è stato mostrato anche con un piglio un po' divulgativo che è sufficiente mettere all'interno di queste presse che so io una nocciolina e la quantità di carbonio che è presente all'interno di questa nocciolina Si si converte in cristalli di Diamante quindi la tecnica è così immediata Come come sembra In effetti per quanto Chiaramente ci siano una serie di dettagli comunque tecnologici relativi alla necessità di specifici elementi chimici che favoriscano questa conversione se possiamo copiare dalla natura con delle presse quello che succede nelle profondità D della terra come possiamo copiare dalla natura quello che succede quando c'è un impatto meteoritico Beh possiamo causare una un'esplosione se noi in una cavità in una scatola mettiamo del carbonio e poi ci mettiamo anche del tritolo e causiamo una fortissima esplosione in una Diciamo in una zona che viene tenuta confinata anche per motivi di sicurezza diciamo E causiamo questa detonazione in concomitanza con questa detonazione inevitabilmente si sviluppano altissime pressioni e temperature e quindi se Apriamo la scatola molte virgolette Dopo che si è causata questa esplorazione questa detonazione ci troviamo dei cristalli di Diamante per quelle che sono le dinamiche di questo tipo di fenomenologia si formano in realtà dei nanocristalli di Diamante mentre nel caso precedente Noi abbiamo la possibilità di formare dei Diamanti macroscopici con questa tecnica riusciamo soltanto a formare dei nano diamanti ma la possibilità di formare questi nano diamanti non è soltanto una curiosità è una tecnica di sintesi rilevante applicata quello che trovate in alto a sinistra ho pensato di introdurre una la locandina di un convegno scientifico incentrato sulle tecnologie le proprietà e le applicazione dei nanodiamond naturali di crescita del diamante e non abbiamo soltanto copiato dalla natura le tecniche che ci consentono di creare dei diamanti in realtà siamo stati Più inventivi di così nei decenni passati Cioè abbiamo capito in un contesto Prima di tutto di ricerca scientifica che è possibile sintetizzare diamanti artificiali con un terzo approccio che è radicalmente diverso dai primi due cioè da condizioni di pressione estremamente basse e di temperature che sono alte per i nostri standard tecnologici ma sono per i nostri standard ambientali Scusate ma che sono comunque delle temperature relativamente basse se noi riusciamo a formare un plasma di atomi di carbonio Il plasma è uno degli Stati diciamo esotici della materia lo possiamo pensare come un gas di atomi ionizzati e altamente da un punto di vista chimico Se noi in una cavità riusciamo a creare Questa nuvola di plasma di atomi di carbonio o di molecole basate sul carbonio Noi abbiamo la possibilità di realizzare controllando con una grande livello di accuratezza queste condizioni ambientali in questa cavità delle condizioni in cui gli atomi di carbonio che si depositano in una sorta di condensazione Se volete su un substrato freddo quando dico substrato freddo mi riferisco a un substrato che si trova a una temperatura di centinaia di gradi celsus che è freddo rispetto all'altissima temperatura a cui si trova invece la nuvola di plasma quindi la nuvola di plasma che contiene atomi di carbonio altamente radioattivi condensa su un substrato freddo in un modo Se volete analogo alla condensa che fa il vapore acque o su un vetro freddo e questa condensa questo Cristallo che si va a condensare su questo substrato freddo tra virgolette può essere in determinati condizioni un cristallo di Diamante quella che vedete qua è un'immagine che vi restituisce un materiale policristallino ma questa tecnica che va sotto il nome di sintesi da fase Vapore È un acronimo cvd dall'inglese Chemical Vapor deposition è una tecnica che è stata molto estensivamente studiata nei decenni passati è giunta a una notevole maturazione scientifica e oggi ci consente di depositare e di creare dei cristalli di Diamante che sono monocristallini quindi di qualità cristallografica superiore a quella di un materiale polim microcristallino ma un materiale di di qualità cristallografica così alta dall'essere un cristallo migliore rispetto ai cristalli naturali cosa intendiamo per migliore migliore nel senso di un materiale più libero di difetti strutturali che sono inevitabilmente dei difetti che si vengono a formare in un cristallo sia dal punto di vista delle imperfezioni strutturali sia dal punto di vista della presenza di eventuali impurità cioè noi ci troviamo ad oggi in uno scenario tecnico scientifico in cui siamo capaci di sintetizzare dei Diamanti che sono più puri e cristallografica di classe Superiore rispetto ai diamanti che si formano in natura la tecnica cvd ha per la verità un rimando o se preferite un possibile rimando in qualcosa che succede in natura cioè le condizioni in cui noi abbiamo dei plasmi a determinate appunto pressioni ambientali a determinate concentrazioni di determinati elementi e molecole è una condizione che si può formare in natura non sul pianeta terra ma a quanto pare a quanto sembrerebbe nelle profondità degli spazi siderali quindi l'ipotesi a cui facevo una breve menzione prima al fatto che in realtà i meteoriti potrebbero essere i che hanno portato sulla terra dei Diamanti che stavano nello spazio è proprio relativa a questa ipotesi cioè all'ipotesi che effettivamente ci sono condizioni nello spazio dove si possono formare dei plasmi di carbonio che risultano Nella formazione di diamanti nello spazio l'immagine che trovate nella slide è l'immagine di una spettroscopia quindi una una misurazione dello spettro di radiazione che arriva da determinate regioni dello spazio dove se e questo spettro è in una certa misura corrispondente allo spettro di luminescenza dei Diamanti sulla luminescenza torneremo la luminescenza è quel fenomeno per cui un cristallo può emettere della radiazione luminosa se viene stimolato otticamente Quindi questa direi di presentarla come un'ipotesi scientifica perché mi sentirei di dire che non è del tutto consolidata Ma è possibile e probabile che i diamanti si possano formare naturalmente non solo con una dinamica di alta pressione di alta temperatura ma anche con una sintesi cvd R ripeto Chemical Vapor deposition per la vostra curiosità questa immagine arriva da una Nebula protoplanetaria ngc e così via Io non sono un esperto di astrof fisica astronomia Ma questi sono dati che sono disponibili nella letteratura scientifica continuando a focalizzarci sulle applicazioni scientifiche Perché il cristallo del diamante è così interessante perché è un materiale estremo Io qua ho provato a rappresentare su un grafico esagonale a sei assi diversi parametri fisici proviamo a prendere per esempio il silicio il silicio il Mat è un materiale che evidenziato qua da degli da uno spot rosso e se noi andiamo a cercare una determinata proprietà fisica per esempio il modulo di Yang che Che cos'è il modulo di Yang Il modulo di Yang è un parametro che quantifica essenzialmente la durezza di un cristallo la rigidità di un cristallo è un parametro fisico si esprime in determin in ben precise unità fisiche in questo caso dimensionalmente una pressione questo grafico ci dice che noi andiamo dal centro dell'esagono a questo vertice da 0 a 1,5 terap più ci spingiamo verso l'esterno di questo asse più questo parametro quantifica una maggior durezza del cristallo ora quanto è duro un cristallo di silicio Beh questo è quantificato da un certo valore di questo modulo di Yang che si situa su quest'asse in questo punto qua dove voi trovate questo punto rosso altre proprietà fisiche su cui non mi dilungo eccessivamente Ma possiamo menzionare rapidamente per esempio la densità atomica oppure la conducibilità termica si vanno a situare con punti rossi per il silicio che appunto si distribuiscono in questo modo se invece che il silicio prendiamo l'arseni euro di Gallio O prendiamo il carburo di silicio che sono altre materiali di interesse tecnologico sono tutti materiali semiconduttori voi trovate che i punti dei diversi colori si distribuiscono in modi diversi su questo esagono vedete che il diamante blu scuro va a situare tutti i propri parametri tutti i propri parametri diciamo su valori estremi rispetto a queste gamme di valori Quindi tornando per esempio modulo di Yang Il modulo di Yang del diamante va a finire qui cioè molto vicino a questo estremo di 1,5 tpal Quindi questa immagine vi fa vedere graficamente che i punti blu scuro si spingono molto verso l'esterno di questo di questo diagramma e vi rendono proprio l'idea di quanto questo materiale sia estremo nelle sue proprietà fisiche Questo è un grafico diciamo analogo che con simili proprietà fisiche o alcune proprietà fisiche che abbiamo già visto vi fa sempre vedere che se voi mettete su una ipotetico asse Eh disponete una certa quantità una certa proprietà fisica di diversi materiali il diamante si va sempre e invariabilmente a situare all'estremo di questa gamma di valori quindi se voi riportate qualitativamente sulla scala di Moss la scala di durezza dei materiali talco calcite quarto topazio il diamante numero 10 della scala di durezza ci sono proprietà sorprendenti Perché diciamo più o meno tutti siamo familiari con La proverbiale durezza dei diamanti ma magari è poco familiare un'altra proprietà che per la verità è molto importante che è la conducibilità termica Cioè quanto un materiale trasmette facilmente il passaggio del il flusso di calore bene il se voi Qua vedete piombo alluminio rame come materiali caratterizzati da valori via via crescenti di conducibilità termica il diamante di nuovo si situa qua a a un valore che è molto molto più grande quindi questo questo grafico qui ci fa vedere che il diamante è un materiale conduttore termicamente veramente ottimo rispetto ad altri materiali pensate il rame il rame è un materiale che molto spesso viene utilizzato come conduttore termico come dissipatore termico in in applicazioni tecnologiche avanzate ma anche banalmente Se pensate al fatto che almeno le le le vecchie pentole erano pentole di rame perché conducevano bene il calore bene il rame ha una conducibilità termica che in questa unità di misura è 401 W per metro per Kelvin a fronte di 2300 del diamante quindi questa è un'altra slide che serve a raccontarvi quanto sia estremo questo materiale non solo nella durezza ma in tanti altri parametri fisici su questa slide non ci dilunghiamo troppo Ma ci sono tante altre proprietà che non sono facilissime da parametrizzare in termini strettamente numerici per esempio la biocompatibilità quindi questo materiale è compatibile con organismi viventi che sono anch'esse estreme questo ci porta alle applicazioni tecnologiche Cominciamo con le proprietà meccaniche che sono quelle che ci sono più familiari l'estrema durezza l'estrema rigidità del cristallo Diamante dà luogo ad applicazioni tecnologiche che sono applicazioni che in diversi contesti sono intorno a noi nella vita di tutti i giorni ci sono moltissimi strumenti di taglio lame e seghe circolari banalmente bisturi che sono rivestite da una polvere diamantata proprio per garantire durezza e resistenza all'attrito polveri abrasive e così via ci sono applicazioni più sofisticate per esempio sono stati commercializzato in passato dei tweeters che sono gli elementi dei sistemi audio stereo che sono quelli deputati a emettere i suoni più acuti che sono degli elementi costruiti con diamanti artificiali e poi via Via su applicazioni sempre più sofisticate da un punto di vista tecnologico su cui non ho troppo tempo per soffermarmi Ma delle nano punte che sono delle nanos sonde che vengono utilizzate in tecniche di indag dei materiali si chiamano microscopia scansioni e i cosiddetti mems i sistemi micro elettromeccanici che sono sistemi microscopici che hanno proprietà meccaniche di interesse passiamo rapidamente a parlare delle proprietà termiche questa Altissima conducibilità termica a cui facevo riferimento poco fa Trova un'applicazione appunto in finestre e in sistemi che dissipano il calore e quindi quando voi avete un sistema che necessita di una rapida dissipazione del calore voi trovate un un concreto vantaggio tecnologico nel realizzare questo dissipatore non in rame ma per esempio in Diamante laddove vi serve una conducibilità termica estrema oppure combinando l'alta conducibilità termica con l'alta trasparenza del cristallo questa c'è molto familiare i cristalli di Diamante almeno i diamanti puri sono estremamente trasparenti Allora ci sono finestre che devono trasmettere radiazione laser ad altissima intensità che vengono fatte in Diamante perché perché sono estremamente trasparenti e perché dissipano molto efficientemente quel poco di energia che comunque assorbono dalla radiazione laser ad alta potenza e quindi non vengono danneggiate sempre molto rapidamente in questa in questa visione di insieme delle applicazioni tecnologiche muovendoci verso applicazioni sempre sempre più avanzate da un punto di vista scientifico e tecnologico i diamanti sono utilizzati in elettronica Tra le altre cose come rivelatori non tutti sanno che per esempio al CERN di Ginevra c'è un intera classe di rivelatori di particelle quelli che sono più esposti al Dann atamento da radiazione che sono realizzati non in silicio che è il più comune materiale in ambito elettronico ma sono realizzati in Diamante perché perché sono rivelatori di particelle che devono operare in condizioni estreme di fortissimo danneggiamento dalla radiazione e quindi in molti punti dove servono rivel di esperimenti Come sono gli esperimenti delle Art energia al serne in altri laboratori vengono utilizzati rivelatori di par Celle in Diamante perché si tratta di rivelatori estremamente robusti al danneggiamento di radiazione non solo questo ma il diamanti i rivelatori in Diamante sono dei materiali il diamante è un materiale tessuto equivalente Cosa significa tessuto equivalente significa che assorbe la radiazione in un modo mediamente analogo a come assorbe la radiazione il nostro corpo il nostro corpo contiene molto carbonio abbiamo detto prima Ma che noi siamo forme di vita base carbonio in realtà il nostro corpo contiene molti altri elementi chimici non soltanto il carbonio ma si può fare un conto e se uno tiene in conto le abbondanze dei diversi elementi chimici nel nostro corpo e fa una sorta di media Si vede che il numero chimico il numero atomico Scusate il numero atomico medio di un corpo vivente è più o meno vicino a quello del carbonio Cosa significa questo una cosa molto important importante che un cristallo di Diamante assorbe la radiazione In modo analogo a come la assorbe il nostro corpo Ecco che quindi se io devo realizzare un dosimetro cioè un rivelatore di radiazione per scopi di monitoraggio di sicurezza Se volete di controllo dell'esposizione e radiazione del corpo umano io mi Doto di un dosimetro di un rivelatore che assorbe la radiazione In modo analogo a come l' assorbe il mio corpo e questo è molto importante e quindi c'è un'intera classe di dispositivi in Diamante che vengono utilizzati come dosimetri cioè come rivelatori di radiazione assorbita in un contesto di monitoraggio di esposizione D radiazioni il diamante è stato Considerato anche come materiale per la realizzazione di dispositivi di Potenza Quindi se avete un minimo di familiarità col concetto di diodo ci sono diodi di Potenza che necessitano di eh resistere ad altissime differenze di potenziale applicato il diamante è un materiale che in considerazione della sua eh durezza non soltanto in senso meccanico ma in senso elettrostatico cioè il diamante è un materiale che sul quale voi potete applicare degli intensissimi campi elettrici senza causare delle scariche elettriche al suo interno e quindi un materiale che si presta anche a realizzare dispositivi di Potenza i dispositivi di Potenza sono estremamente importanti perché sono una classe di dispositivi che entrano nei motori elettrici che sono un'altra tematica molto importante al giorno d'oggi come sapete quindi un'altra applicazione estremamente importante per questo materiale arriviamo ai biosensori cellulari Prima ho parlato molto brevemente delle caratteristiche di biocompatibilità del diamante se io realizzo un sensore in un ambito biologico quindi un biosensore un biosensore che può essere un biosensore in vitro oppure in vivo Che cosa significa in vitro o in vivo un biosensore in vitro è un sensore dell'attività biologica cellulare che io realizzo all'interno di una cella di coltura dove coltivo delle Celle in un Medium di coltura un sensore in vivo e un sensore che io invece vado a localizzare all'interno di un corpo vivente di un organismo vivente se io realizzo un sensore è necessario che il materiale con cui realizzo abbia sicuramente delle proprietà ottimali dal punto di vista sensoristica ma è anche necessario che questo materiale sia biocompatibile cioè che non venga rigettato dai dalle cellule dall'organismo vivente come un materiale tossico un materiale alieno rispetto alla forma di vita il diamante è un materiale a base carbonio e quindi viene ben tollerato e ben riconosciuto dai dagli organismi viventi e quindi è un materiale ottimale per realizzare dei biosensori in vitro e in vivo questo ci porta diciamo a riassumere questa considerazione che In un certo qual modo è un po' il il messaggio centrale di questa breve lezione quando diciamo Diamante e pensiamo ai cristalli alle gemme preziose e ai gioielli dobbiamo invece ricordare che sostanzialmente fino dagli anni 70 quindi Oramai sono molti decenni che il mercato internazionale dei Diamanti è largamente dominato dalla compravendita di questo materiale per applicazioni scientifiche e tecnologiche Quindi ogni anno sono centinaia le tonnellate di diamanti che vengono commercializzati non per fare delle gemme preziose ma per realizzare tutte quelle classi di dispositivi che abbiamo di cui abbiamo di cui ho dato una brevissimo escursus prima che partono da applicazioni Mi verrebbe da dire a basso contenuto tecnologico strumenti da taglio una Mola per intenderci fino a a dispositivi estremamente sofisticati sensori rivelatori e così via quindi Ricordiamoci che oggigiorno la vasta maggioranza dei Diamanti che vengono commercializzati nel mondo sono sintetizzati artificialmente e commercializzati per applicazioni tecnologiche e scientifiche e scusate questa slide vi fa vedere una un escurso molto limitato e sicuramente non esaustivo di tutte quelle compagnie che sintetizzano diamanti o realizzano dispositivi in Diamante per applicazioni tecnologiche questo diciamo è una sorta di overview su questo materiale sulla sua rilevanza in ambito scientifico tecnologica vorrei concludere questo breve cercando di darvi un'idea che è un po' un caso studio Se volete cioè un esempio di quella che è un'attività di ricerca svolta in ambito accademico presso l'Università di Torino dal gruppo di ricerca a cui afferisce che è il gruppo di fisica dello stato solido dell'università di Torino in collaborazione la ricerca scientifica è molto spesso se non quasi sempre un'attività di tipo collaborativo il nostro gruppo di ricerca svolge questa attività in collaborazione con molti attori locali nazionali internazionali il dipartimento di scienza e tecnologia di il farmaco nella misura in cui vi farò vedere tutta un'attività che noi svolgiamo sui biosensori in Diamante enti di ricerca Io qua ho voluto citare due enti di ricerca molto importanti a livello nazionale che sono L'Istituto nazionale di ricerca metrologica e L'Istituto nazionale di fisica nucleare poi ci sono molti altre università centri di ricerca gruppi di ricerca con cui collaboriamo per portare avanti un programma di ricerca incentrato sulla scienza e tecnologia del diamante artificiale nella sezione finale di questa presentazione troverete anche un link Se vi interessa approfondire alcune di queste cose alla alla pagina del nostro gruppo di ricerca che riporta notizie pubblicazioni e varie informazioni su questa attività di ricerca molto brevemente provo a darvi un'idea di questa attività di ricerca partendo da un altro concetto importante che è quello dell'utilizzo di fasci di particelle per strutturare questo materiale questo materiale è un materiale molto duro un materiale molto rigido non mi sono soffermato molto su un'altra proprietà importante un materiale molto inerte da un punto di vista chimico quindi un materiale che per certi versi è un materiale estremamente problematico da microfabrica modificare da strutturare e quindi in un certo senso un materiale così estremo dal punto di vista delle su delle sue proprietà fisiche necessita di uno strumento al tanto estremo per modificarne le proprietà e questo strumento estremo noi nella nostra attività di ricerca l'abbiamo trovato nei fasci di particelle fasci di particelle stiamo parlando di fasci di ioni quindi di atomi che hanno uno stato di carica e che possono venire impiantati nel Cristallo a energie molto elevate Qua c'è una sigla mev mev significa milioni la il fisso m sta per milioni di elettronvolt l' elettronvolt è unità di misura dell'energia alternativa a quella del sistema adottata nel sistema internazionale che è il jaou e che quantifica diciamo e quantifica l'energia di questi ioni in questo contesto basti dire che si tratta di ioni molto energetici cioè ioni che vengono accelerati elettrostaticamente con differenze di potenziale elettrico delor Ordine delle migliaia o appunto addirittura milioni di elettronvolt questi ioni entrando nel Cristallo lo danneggiano Cosa significa che lo danneggiano significa che voi dovete potete immaginare il cristallo di Diamante come un'impalcatura cristallina come un reticolo ordinato di atomi stabili o meglio Met stabili e questa impalcatura cristallina può essere in una certa misura danneggiata dall'impianto che quindi ritorna quel concetto molto importante su cui mi sono dilungato nell'introduzione che è quello della Met stabilità del cristallo di Diamante se noi introduciamo con questo strumento che è il danneggiamento Ionico una densità di difetti strutturali che è critica cioè danneggiamo la questa impalcatura cristallina al di sopra di una soglia critica Ecco che oltrepassiamo quel limite di Met stabilità che ho cercato di introdurre prima Cioè causiamo il collasso della struttura cristallina del diamante che converte in condizioni ambientali standard in grafite operativamente in estrema sintesi Noi siamo quindi in grado di convertire in modo localizzato la struttura del diam ante in quella della grafite e quindi possiamo Se volete spostarci a cavallo del diagramma di fase e trasformare il diamante in graffite questo è estremamente importante per noi perché ci consente di fabbricare all'interno della struttura del diamante che è un materiale isolante dal punto di vista elettrico delle strutture di grafite che sono quindi elettricamente conduttive la graffite per quanto basata come il diamante al 100% di carbonio è una struttura estremamente diversa dal Diamante per esempio è un conduttore elettrico di tipo metallico e quindi trasmette la corrente elettrica in modo estremamente agevole a differenza del diamante che invece è un isolante elettrico quasi ideale quindi i fasci di particelle e il danneggiamento che noi induci dai fasci di particelle ci permette di formare delle strutture elettricamente conduttive all'interno del diamante questo senza volermi Diciamo dilungare in dettagli eccessivamente specifici avviene solo quando la densità di di danneggiamento che noi induci nel Cristallo supera una certa densità critica al di sotto di questa densità di difetti noi ci avvantaggi ancora della Met stabilità del diamante cioè la struttura del diamante resta per così dire metastabile il profilo che vedete qua sulla destra è il profilo alquanto peculiare di danneggiamento indotto da uno ione ad alta energia in un materiale e specificamente nel Diamante vedete che un profilo in funzione della profondità di penetrazione che è fortemente non uniforme operativamente quello che succede È che quando io entra in un cristallo per una certa profondità danneggia relativamente poco il diamante e poi c'è una sorta di Picco di danneggiamento di alta densità di danneggiamento a una determinata profondità utilizzando fasci di particelle noi ci avvantaggi proprio di questa caratteristica particolare per danneggiare la struttura del diamante a determinate profondità che dipendono dall'energia dei proiettili ionici che scagliamo nel cristallo e quindi Formiamo queste strutture Graffiti a specifiche profondità nel Cristallo Questo è un livello di dettaglio su cui possiamo diciamo sorvolare Ma nel caso vi fornirò alcuni così alcuni punti d'accesso per approfondire eventualmente queste tematiche ma diciamo che ci sono tecniche litografiche che ci consentono di definire dei pattern cioè delle strutture specifiche con cui scrivere queste strutture Graffiti che nel Diamante ho usato il termine scrivere Non a caso perché quando si utilizza l'espressione litografia che è un'espressione molto importante nel contesto tecnologico contemporaneo la litografia è quella tecnica con cui noi fabbrichiamo i microchip che sono alla base dei nostri computer dei nostri smartphone Cosa significa litografia etimologicamente litografia significa banalmente scrivere nella pietra e in un certo senso Noi scriviamo Cioè andiamo a fabbricare localmente nella pietra cioè nel cristallo di Diamante queste strutture che sono le strutture per noi interessanti che sono delle ripeto delle microstrutture grafiti quindi in estrema sintesi Noi abbiamo sviluppato nella nostra attività di ricerca negli ultimi decenni delle tecniche con cui siamo in grado di fabbricare micro e nanostrutture Graffiti che all'interno dei Diamanti qua ne trovate diciamo una rappresentazione con delle tecniche di microscopia avanzata che vi fanno vedere la possibilità che noi abbiamo di fabbricare queste strutture grafiti lo facciamo presso degli delle delle facility dei laboratori a cui abbiamo accesso a livello internazionale e per nostra fortuna abbi abbiamo avuto la possibilità di installare presso il laboratorio del dipartimento di fisica dell'università di Torino in tempi recentissimi un impiant Ionico che ci consente proprio di effettuare queste questi processi fabbrica nei nostri laboratori con un fascio di particelle a cui abbiamo accesso qui Nei laboratori del dipartimento di fisica dell'università di Torino con questo tipo di infrastruttura noi siamo in grado di realizzare delle strutture grafiti che eh utilizziamo eh per fabbricare dei dispositivi di diversa natura ad esempio dei dispositivi biosensori ehm ci sono delle tecniche che fanno uso di materiali carbonio che consentono per esempio di rivelare l'attività cellulare per esempio l'attività che alcune cellule del nostro sistema neuroendocrino hanno di rilascio di particolari classi di molecole che vanno sotto il nome di catecolamine studiare questi meccanismi di rilascio molecolare delle cellule è una tematica di estremo interesse per i neurofisiologi tant'è che noi collaboriamo con su queste tematiche con un gruppo di neurofisiologi dell'università di Torino del dipartimento di scienza e tecnologia del farmaco perché studiare questi meccanismi ci aiuta a capire meglio per esempio Come combattere determinati classe di malattie neurodegenerative come L'Alzheimer e così via quindi sono meccanismi questi rilasci eh di questi neurotrasmettitori estremamente importanti e che vengono tipicamente utilizza investigate con delle tecniche elettrochimiche che fanno uso di fibre di carbonio qua sulla destra vedete l'immagine di una fibra di carbonio avvicinata a una cellula che viene tenuta ferma con una pipetta E questa fibra di carbonio è una sorta di elettrodo che rivela elettrochimico di queste molecole dalle cellule bene con le tecniche che vi ho descritto di fabbricazione dei cristalli di diamante con fasce di particelle noi negli anni abbiamo sviluppato dei sensori cellulari a base di Diamante quindi dei substrati di cristalli di Diamante perché cristalli di Diamante per la loro biocompatibilità per la loro trasparenza Quindi per la facilità con cui possono essere interfacciati con dei sistemi di microscopia e che al tempo stesso incorporano al loro interno dei microcanali grafiti conduttivi che fungono allo stesso scopo di questi macro elettrodi in fibra di carbonio per rivelare l'attività cellulare col vantaggio che con queste tecniche di fabbricazioni possiamo integrare all'interno di questi biochip Se volete un grande un relativamente Grande numero di elettrodi che sono i sensori dell'attività di cellulare che no di cellule che noi letteralmente coltiviamo su questi substrati quindi stiamo parlando della rivelazione in vitro sulla sulla sinistra vedete uno di questi diamanti Scusate non c'è una scala dimensionale su questa immagine Ma fate conto che il lato di questo cristallo di Diamante sia più o meno di 2-3 MM sulla destra vedete il substrato di Diamante che è stato incorporato all'interno di una cella di coltura quindi le cellule vengono coltivate su questo substrato e mantenute all'interno di un liquido di coltura il tutto intorno vedete che c'è dell'Elettronica perché c'è quell' elettronica che è funzionale all'acquisizione al processamento dei segnali elettrochimici che vengono captati da questi eh canali Graffiti qui trovate degli esempi dei segnali dei treni di segnali che sono dei segnali di rilascio molecolare che vengono ehm generati dalle cellule che sono coltivate su questi substrati non soltanto possiamo misurare questi eventi di rilascio molecolare ma Ma possiamo anche misurare sempre con questa tipologia di dispositivi la propagazione del cosiddetto potenziale d'azione cioè un segnale di potenziale elettrico che viene espresso da determinate classi di cellule del nostro colpo le le le cellule del nostro sistema nervoso e neuroendocrino sono una categoria di segnali molto importanti e che possono anch'essi venire rivelati con i lap topologia di biosensori di cui vi ho parlato quello che vedete qua è un esempio di una misurazione del potenziale d'azione sviluppato dal dal nodo senatrice smaker naturale del del cuore e quella sezione del muscolo cardiaco che diciamo dà l'impulso e il ritmo delle contrazioni cardiache Questo è un nodo senatrici Avia e che è stato posto sopra uno dei nostri biosensori ne vedete la le contrazioni periodiche e esprime un segnale in tensione che è captato Dai dai nostri Array di sensori di biosensori e questi sono le tipologie di segnali che vengono captati questo ci consente di programmare tutta una classe di esperimenti che sarebbero invece molto difficili da programmare con strumenti convenzionali e che sviluppiamo in collaborazione appunto con i neurofisiologi dell'università di Torino concludo questa breve carrellata spostandomi dall'ambito della biosensor a quello delle cosiddette tecnologie quantistiche mi sposto dal concetto della stabilità del diamante quindi della possibilità del convertire la struttura Diamante alla struttura grafite mi sposto ad un tipo di manipolazione e modificazione della struttura che invece molto più gentile se mi permettete il termine cioè non parliamo più della trasformazione della struttura cristallina ma dell'introduzione di singoli difetti e imperfezioni cristalline a di di imperfezioni strutturali all'interno di cristalli in un in senso un po' più generale il concetto di difetto non soltanto nella scienza e tecnologia del diamante ma in tutta la moderna n in tutte le moderne microtecnologie è un concetto estremamente importante il concetto di difetto nel lessico comune ha sempre un'accezione negativa in realtà quando si parla di un cristallo parlare di di difetti in un cristallo significa parlare di impurità che possono avere delle proprietà estremamente interessanti da un punto di vista scientifico di base cioè da un punto di vista dell'indagine speculativa delle proprietà di questi difetti ma anche soprattutto da un punto di vista dell'applicazione tecnologica di questi difetti tutta l'industria dei semiconduttori Quindi quei materiali che stanno alla base dei microchip che stanno nei nostri computer nei nostri smartphone e così via è un'industria che si basa sul concetto di ingegnerizzazione di difetti nel silicio che è il materiale di più ampio utilizzo nella moderna elettronica Quindi tutto ciò che noi sappiamo fare sul silicio per fare i dispositivi o qua molto di quello che noi facciamo sul sul silicio e la capacità di ingegnerizzare questi difetti tant'è che un famos cristallografia agli inizi del Novecento formulò una frase che poi è un po' diventata famosa quantomeno in questo ambito scientifico i cristalli sono come le persone sono i difetti che li rendono interessanti qua sulla sinistra vedete diversi diamanti sono tutti diamanti ma hanno colorazioni diverse perché contengono al loro interno diversi tipi di difetti questi difetti che sono impurezze di Alt altri atomi oppure difetti strutturali modificano una delle proprietà di interesse di un materiale che è in questo caso banalmente nel contesto della gioielleria il loro colore i difetti però possono modificare altre proprietà che sono molto interessanti in un contesto scientifico tecnologico appunto le proprietà elettriche ma anche le proprietà ottiche e quindi più In generale si parla di un'ingegneria materiali tramite l'ingegnerizzazione dei difetti all'interno di questi cristalli il diamante è un cristallo che può contenere al suo interno una vastissima gamma una vastissima zoologia Se volete di diverse tipologie di difetto che sono poi quelle diverse tipologie di difetto che ne modificano banalmente il colore tant'è che questi difetti vanno spesso sotto il nome di centri di colore molti di questi difetti sono otticamente attivi Cosa significa otticamente attivi vuol dire che se vengono opportunamente stimolati eccitati si diseco cioè Torno al loro stato più stabile ritorna sempre questo concetto di stabilità come vedete Rilassano il loro stato più fondamentale il loro stato più stabile emettendo della radiazione questa proprietà di poter emettere della la radiazione è una proprietà di grande interesse in certi ambiti tecnologici c'è in particolare Un tipologia di difetto nel Diamante che va sotto il nome di difetto azoto vacanza e una struttura difettiva Cioè è a tutti gli effetti un'imperfezione della struttura cristallina del diamante che consiste di un' impurità molto comune nel Diamante che è l'impurità azoto sostituzione quando un azoto sostituzione si va a situare in una in prossimità di una vacanza Che cos'è una vacanza è banalmente un buco un atomo mancante nella struttura cristallina del diamante si forma una struttura difettiva che ha delle proprietà ottiche estremamente interessanti il discorso chiaramente è tecnicamente molto complesso potete immaginare che il grafico che vedete sulla destra ha un certo livello di dettaglio tecnico scientifico su cui chiaramente non possiamo addentrarci ma diciamo il grafico che voi Vedete sulla destra è un grafico esplicativo delle transizioni ottiche quindi di come si eccita e si diseccitazione ottiche di questo specifico difetto all'interno del diamante sono delle transizioni estremamente interessanti da un punto di vista dell'indagine non solo speculativa ma anche da un punto di vista applicativo Perché Perché in estrema sintesi si tratta di transizioni ottiche che sono più o meno efficienti a seconda dello stato di spin del difetto vorrei provare a introdurre quest'ultimo concetto prima di andare verso le conclusioni lo spin è la proprietà è una delle proprietà delle particelle fondamentali ed è la proprietà eh di particelle in questo caso gli elettroni che possiamo concettualizzare in modo classico ma giusto per avere un'idea di che cosa sia in termini classici quindi in termini approssimativi visto che poi queste particelle devono essere proio più propriamente descritte con il linguaggio della meccanica quantistica ma diciamo che che in primissima approssimazione possiamo dire che un elettrone ha uno spin nel senso che è una proprietà intrinseca di rotazione intorno al proprio asse non è proprio così nel senso che deve essere descritto poi in termini più avanzati nel linguaggio della meccanica quantistica ma in questo contesto proviamo a immaginarci come lo spin degli elettroni appunto come questa proprietà intrinseca degli elettroni di avere un grado di libertà rotazionale cioè di ruotare su se stesso in un modo più o meno analogo a Come la Terra ruota su se stessa nella sua orbita intorno al sole ripeto con tutta una serie di caveat Eh ma diciamo questa proprietà dello Spin è una proprietà molto importante perché questo dà agli elettroni delle proprietà magnetiche e diciamo il dato essenziale che cerco di trasmettere in questa slide è che le proprietà di transizioni ottiche di questi difetti sono proprietà che dipendono dalle proprietà di spin degli elettroni che sono coinvolti nelle transizioni stesse detto in un altro modo la la luminosità di questi difetti luminosi dipende da questa proprietà di spin degli elettroni del difetto Questa è una proprietà estremamente importante perché ci dà la possibilità di interrogare facendo una misura di luminescenza cioè andando a misurare la luce emessa da questi difetti noi possiamo interrogare lo stato di spin degli elettroni che si trovano localizzati in questo difetto questo opre Scusate apre una serie di opportunità nell'ambito delle cosiddette tecnologie quantistiche Nel senso che la proprietà di spin degli elettroni è una delle possibili piattaforme per implementare il cosiddetto concetto di cubit cioè di bit quantistico questo si ricollega al discorso sulle tecnologie quantistiche Noi ci troviamo In un'era diciamo gli ultimi decenni in cui sta emergendo l'idea di sviluppare una nuova classe di dispositivi tecnologici che si basano sugli aspetti più avanzati e se volete più esotici della meccanica quantistica e quindi diciamo un concetto che potete esplorare in un contesto divulgativo scientifico a livello delle notizie scientifiche che stanno si stanno diffondendo ai giorni nostri c'è il concetto del computer quantistico il computer quantistico è una nuova tipologia di computer molto più avanzata rispetto ai computer convenzionale che possiamo considerare computer classici che ci consente di Codificare e manipolare l'informazione in bit che sono dei Quantum bit cioè dei bit di informazione che sottostanno alle leggi della meccanica quantistica che sono delle leggi estremamente esotiche estremamente bizzarre qua io ho riportato una frase famosa di un premio Nobel Richard feinman uno dei più uno dei padri della meccanica quantistica e uno dei più eminenti scienziati Premio Nobel per la fisica negli anni 60 per i suoi studi nella meccanica quantistica che disse nessuno comprende la meccanica quantistica questo a dire che i meccanismi con cui si comporta con cui evolve lo stato di un elettrone ad esempio all'interno di questo sistema che è il difetto azot vacanza sono meccanismi molto strani molto controintuitiva da delle leggi della meccanica quantistica che sono leggi molto diverse rispetto alle leggi che regolano il mondo che sta intorno a noi il mondo macroscopico queste leggi Non sono queste Sì queste leggi fisiche però non sono soltanto strane bizzarre ma sono delle leggi che potenzialmente ci permettono di fare con questi computer di implementare dei degli algoritmi delle procedure di calcolo che sono enormemente più avanzate rispetto alle procedure di calcolo convenzionale quindi la promessa tecnologica che è una diciamo è una visione tecnic scientifica di questi anni di questi decenni è che se noi siamo in grado di costruire il computer quantistico noi saremmo in grado di sviluppare un supercomputer con delle capacità computazionali estreme estremamente più avanzate rispetto a quelle dei dei dei computer convenzionali dico questo perché il sistema azoto vacanza n Diamante è potenzialmente un sistema in cui potremmo implementare un cubit quantistico Questo è un ambito di ricerca un ambito di ricerca avanzata di frontiera qua trovate diciamo immagini e cover di riviste scientifiche che prefigurano quale potrà essere il ruolo del diamante come materiale per sviluppare il computer quantistico del domani non soltanto computazione quantistica ma anche comunicazione quantistica E con questo chiudiamo il i centri di colore n Diamante essendo degli emettitori di luce sono dei sistemi che potenzialmente se vengono opportunamente isolati e quindi controllati a livello di singolo difetto e quando dico singolo difetto intendo letteralmente la capacità di ingegnerizzare e controllare un singolo difetto cristallino all'interno di un cristallo Ecco se noi siamo in grado di fare questo con un singolo difetto cristallino Noi siamo in grado di manipolare l'emissione da questi difetti di singoli quanti di luce il quanto di luce e In modo analogo allo spin un'altro concetto prettamente pertinente alla meccanica quantistica la visione quantistica della luce è una visione in cui la radiazione luminosa si esprime e si propaga in pacchetti In quanti in quelle che possiamo considerare a tutti gli effetti delle singole particelle di luce la possibilità di trasmettere singole particelle di luce sta alla base dei concetti altrettanto avanzati Come si è visto per la computazione quantistica che sono concetti di comunicazione quantistica la comunicazione è mediata dalla luce già al giorno al giorno d'oggi lo vediamo intorno a noi ovunque le nostre strade ovunque sono cablate con fibre ottiche Torino e molte altre città vengono cablate con fibre ottiche perché già allo stato odierno della tecnologia la radiazione luminosa viene utilizzata per trasmettere dei segnali in fibra ADSL e così via noi trasmettiamo dei segnali codificando nella trasmissione di luce la luce che noi trasmettiamo nelle fibre ottiche che cablo le nostre città è una luce per così dire Classica cioè sono dei flussi di radiazione a un un numero di fotoni Se volete che è così alto che noi possiamo pensare in termini classici a questo flusso di di radiazione se noi portiamo a livello di singole particelle di luce i pacchetti di radiazione che noi riusciamo a trasmettere nelle fibre ottiche noi possiamo implementare degli schemi di trasferimento dell'informazione che sono altrettanto dirompenti così come dirompente il computer quantistico nel contesto della computazione può essere davvero dirompente da un punto di vista tecnologico la cosiddetta comunicazione quantistica cioè la possibilità di trasmettere informazioni negli Stati di singolo fotone questo in particolare consente di trasmettere pacchetti di informazioni in modalità che sono intrinsecamente sicure cioè la delicatezza degli degli Stati di questi singoli fotoni è tale da garantire la possibilità di trasmettere informazione in un modo che intrinsecamente sicuro detto in un altro termine la Ripeto la vulnerabilità e la delicatezza degli Stati di questi singoli fotoni è tale per cui se si trova tra l'emettitore e il ricevitore di un segnale che di solito vengono chiamati Alice e Bob semplicemente perché sono a e b il punto A e il punto B l'emettitore e il ricevitore di una trasmissione su una linea se c'è un intercettatore su questa linea che cerca di spiare Questa trasmissione se io codifico questa trasmissione in particelle quantistiche Come sono i singoli fotoni Io ho la possibilità che mi viene garantita di nuovo da queste leggi particolarmente esotiche della meccanica quantistica di Codificare in modo sicuro l'informazione e soprattutto rilevare la presen in modo altrettanto sicuro e affidabile la presenza di un eventuale intercettatore per implementare questi schemi molto complessi di comunicazione attraverso la trasmissione di singoli fotoni io ho bisogno di un ingrediente tecnologico importante che è una sorgente di singolo fotone Cioè ho bisogno di un oggetto tecnologico che emetta singoli fotoni quando io metaforicamente premo un pulsante qu io necessità di un dispositivo che quando schiaccio un pulsante cioè quando mando un impulso emetta una e una sola particella di luce possiamo affermare che allo stato dell'arte questo oggetto non esiste nel senso che ad oggi non disponiamo di sorgenti luminose di singolo fotone sufficientemente stabili sufficientemente affidabili così come il diamante e questi centri di colore nel Diamante sono Eh una promettente piattaforma per la computazione quantistica sono altresì una promettente piattaforma per realizzare delle Sorgenti di singolo fotone Ecco quindi che noi lavoriamo anche non solo sul Diamante come biosensore ma anche come sorgente di radiazione quantistica per applicazione nell'ambito di sorgenti di singolo fotone di nuova generazione Questo è un esempio deii degli emettitori di radiazione di luminescenza che noi possiamo ingegnerizzare nel Diamante mediante l'impianto noi questi difetti li realizziamo impiantando ioni nei cristalli di Diamante quello che noi qua abbiamo fatto con un piglio un po' promozionale Se volete è stato definito la formazione di questi emettitori luminosi in un cristallo di Diamante riproducendo il logo dell'Istituto nazionale di fisica nucleare che era diciamo l'istituto presso cui utilizzavamo una un facility di impiantazione Ionica che ci ha consentito appunto di realizzare questo processo Questo per dire che c'è tutta un'attività di ricerca che svolgiamo qui a Torino ma non solo in molti altri laboratori in Italia in Europa e nel mondo si focalizzano su questi sistemi su questi emettitori di luce quantistica per effettuare degli esperimenti che noi svolgiamo in collaborazione in particolare con con ricercatori dell'Istituto nazionale di ricerca metrologica dove c'è una sono competenze molto avanzate in questo tipo di indagine scientifica e presso il nostro gruppo di ricerca in collaborazione con con inrim e altri gruppi di ricerca facciamo degli esperimenti in cui investighiamo le proprietà di emissione di singoli fotoni di questi sistemi questo ci dà diciamo una una visione di quelle che sono le applicazioni appunto un pochettino più avanzate un pochettino più visionarie di di questo materiale Appunto nel contesto delle cosiddette tecnologie quantistiche questo ci porta alla conclusione di questo breve seminario in cui diciamo si è cercato di darvi una prospettiva di un materiale che ci è familiare perché mentre carburo di silicio nitruro di gallo sono materiali semiconduttori che non sono sulla bocca di tutti Diamante è un materiale con cui sicuramente tutti noi abbiamo un grado di familiarità ma una familiarità che spesso nasce da un testo quello gioieller istico dei Diamanti naturali e così via che è un che è un ambito che è diverso da quello di cui vi ho parlato oggi che è invece l'ambito della della Ricerca Scientifica speculativa e delle applicazioni tecnologiche di questa ricerca scientifica io vi ho vi ho presentato quindi alcuni esempi che hanno spaziato dall'ambito della biosensor Istica a quello delle tecnologie quantistiche quindi il diamante non soltanto un materiale per la gioielleria ma un materiale estremo per applicazioni scientifiche e tecnologiche concludo con alcuni input ci sono chiaramente articoli e pubblicazioni di carattere divulgativo Io qua mi sono permesso di elencarne alcune in cui siamo stati e sono stato direttamente coinvolto a livello di divulgativo si tratta di pubblicazioni che sono apparse su riviste anche di accesso comune come i quotidiani ci sono contenuti di carattere divulgativo che sono accessibili attraverso la piattaforma Frida di divulgazione scientifica dell'università di Torino unito news che è la piattaforma diciamo per la per I comunicati stampa che raccontano alcune di queste attività di ricerca che abbiamo condotto quindi questi sono alcuni spunti qua ho raccolto degli short link quindi dei link condensati che se appunto li potete copiare nel vostro browser e puntano a degli indirizzi web un pochettino più lunghi e complicati da trascrivere Eh che puntano alla pagina web del nostro gruppo di ricerca dove potete ritrovare molte di queste informazioni e anche a filmati YouTube alcuni dei quali appunto di carattere divulgativo in cui sono stato coinvolto e ai Portali di cui vi dicevo quindi spero che possano essere dei punti d'accesso utili e stimolanti per approfondire alcune di queste tematiche Vi ringrazio per la vostra attenzione