Quasi-cristalli: nel 1984 Dan Shechtman scoprì la struttura che 'non poteva esistere' (e nel 2011 ebbe ragione)

L'8 aprile 1982, in un laboratorio del National Bureau of Standards a Gaithersburg, in Maryland, il fisico israeliano Dan Shechtman sta studiando una lega di alluminio e manganese al microscopio elettronico a trasmissione. Quello che vede è impossibile: dieci punti luminosi disposti in cerchio, una simmetria a cinque assi di rotazione che ogni cristallografo, da Auguste Bravais in poi, considerava vietata dalle leggi della materia. Sul suo quaderno di laboratorio scrive: "10 Fold???". Tre punti interrogativi. Da lì comincia una guerra di 27 anni contro la chimica ufficiale, che si conclude solo il 5 ottobre 2011 con l'annuncio del Premio Nobel.

La regola che Bravais sembrava aver chiuso nel 1850

Per un cristallografo dell'inizio del Novecento, la materia solida ordinata era una griglia tridimensionale che si ripete. Le simmetrie ammesse erano solo 2, 3, 4 e 6 — quelle che permettono di tassellare lo spazio senza buchi né sovrapposizioni. La simmetria a 5 assi era esclusa: come ogni bambino scopre con i pentagoni e i puzzle, non si possono coprire pavimenti regolari con stelle a cinque punte. Per quasi 130 anni nessuno mise in discussione questo dogma. Eppure i piastrellisti dell'Iran medievale, soprattutto a Isfahan e nella Tomba di Maragheh del 1197, costruivano già motivi non periodici con simmetrie quintuple — come dimostrato nel 2007 da Peter Lu di Harvard su Science, anticipando di otto secoli quello che la matematica chiamerà tassellatura di Penrose.

L'esperimento del 1982 e il rifiuto del Journal of Applied Physics

Shechtman, in sabbatico a Washington dall'Israel Institute of Technology (Technion), stava raffreddando bruscamente una lega di Al₆Mn per ottenere una microstruttura amorfa utile all'industria aeronautica. La diffrazione elettronica del campione mostrò invece dieci spot regolari. Provò a far ruotare il portacampione, contò ogni asse: cinque, tre, due. Esattamente la simmetria di un icosaedro. Ne parlò ai colleghi di laboratorio. La risposta fu un sorrisetto e un libro: "Dan, leggi a pagina 14 — quella simmetria non esiste". Il capo della ricerca, John Cahn, gli chiese di lasciare il gruppo per non danneggiarne la reputazione. Il Journal of Applied Physics rifiutò l'articolo dicendo che "non avrebbe interessato i fisici". Solo nel novembre 1984, dopo essere tornato in Israele, Shechtman riuscì a pubblicare lo studio fondativo su Physical Review Letters, firmato anche da Ilan Blech, Denis Gratias e lo stesso Cahn che nel frattempo si era convinto.

"Non ci sono i quasi-cristalli, ci sono solo quasi-scienziati": l'attacco di Pauling

L'opposizione più dura arrivò da Linus Pauling, due volte premio Nobel e padre della chimica strutturale moderna. Pauling sosteneva che i campioni di Shechtman fossero semplicemente gemelli cristallini sovrapposti, e fino alla sua morte nel 1994 ripeté la frase che resta nei manuali di storia della scienza: "There is no such thing as quasicrystals, only quasi-scientists". Ricostruita dalla documentazione ufficiale dell'Accademia Reale Svedese, l'ostilità di Pauling fece da freno per un decennio. Solo i lavori teorici di Paul Steinhardt e Dov Levine a Princeton, che mostravano come una struttura non periodica ma ordinata potesse soddisfare le diffrazioni osservate, e la successiva replica di centinaia di laboratori indipendenti chiusero il dibattito.

Le tassellature di Penrose: la matematica era già pronta

Pochi mesi dopo l'osservazione di Shechtman, Steinhardt e Levine notarono una somiglianza sorprendente tra le immagini di diffrazione e le tassellature di Penrose, costruite nel 1974 dal matematico inglese Roger Penrose. Penrose aveva mostrato che con due rombi (uno "acuto" e uno "ottuso") si può ricoprire il piano in modo ordinato ma non periodico, generando esattamente i pattern a cinque ordini di rotazione che la cristallografia escludeva. La materia, scoprirono i due fisici, aveva semplicemente fatto in tre dimensioni quello che Penrose aveva fatto in due. La rivoluzione era completa. Nel 1992 l'Unione Internazionale di Cristallografia, ammettendo l'errore di un secolo, riscrisse la definizione di cristallo: non più "un solido con struttura periodica" ma "un solido con uno spettro di diffrazione essenzialmente discreto". Più di duecento leghe diverse di quasi-cristalli sono state ottenute in laboratorio, alcune con proprietà eccezionali: bassissimo attrito (usate nei rivestimenti antiaderenti delle padelle russe ALMECO), elevata durezza, scarsa conduttività elettrica e termica.

Il meteorite di Khatyrka: i quasi-cristalli esistono anche in natura

Per 25 anni si pensò che i quasi-cristalli fossero esclusivamente sintetici. Nel 2009 il geologo italiano Luca Bindi del Museo di Storia Naturale di Firenze e Steinhardt analizzarono un piccolo frammento di un meteorite raccolto sui monti Koryak della Russia orientale e trovarono al suo interno una fase con simmetria icosaedrica, di composizione Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃. La scoperta venne pubblicata su Science il 5 giugno 2009: il nuovo minerale ricevette il nome di icosaedrite e l'approvazione della International Mineralogical Association nel 2010. È nato così un nuovo capitolo della mineralogia, oggi chiamato mineralogia non periodica, e una caccia ai quasi-cristalli naturali che ha già rivelato fasi inedite — la decagonite (a dieci ordini di rotazione) descritta da Bindi nel 2015. Il meteorite di Khatyrka risale a circa 4,5 miliardi di anni fa e si è formato in collisioni ad altissima pressione: per condensare un quasi-cristallo in natura serve un trauma cosmico.

Una lezione di scienza fuori dai libri

Nel discorso di accettazione del 10 dicembre 2011 a Stoccolma, Shechtman raccontò che il suo successo non sarebbe stato possibile senza tre cose: "l'apparecchio giusto, una buona preparazione e l'ostinazione di una mula". La storia dei quasi-cristalli oggi è entrata nei manuali come una delle più convincenti dimostrazioni che la peer review e l'autorità accademica, anche al loro livello più alto, non sono garanzie di verità — e che a volte una scoperta sembra impossibile semplicemente perché siamo abituati a non guardarla. Il Technion, che nel 1984 lo invitò a non parlare in pubblico delle sue osservazioni per non rovinarne la carriera, oggi ospita nel suo campus l'Israel Institute of Quasicrystals.