Intervista ad Andrea Piovano ILL - XXVIII Congresso Annuale [email protected]
EVENTI – Nel 1997 l’Italia aderì come partner all’Institut Laue-Langevin (ILL). In occasione del ventennale di questa adesione, il 5 ottobre si è tenuta a Trieste una conferenza presso il Campus Miramare della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) dove sono stati presentati i principali risultati di questa collaborazione. La conferenza è stata organizzata dall’ILL in collaborazione con la Società Italiana di Spettroscopia Neutronica ed è avvenuta nel contesto della Conferenza Italiana sulla Fisica della Materia, FisMat 2017.
L’ILL si trova a Grenoble (Francia), tale istituto scientifico è dotato di una intensa sorgente di neutroni dedicata esclusivamente alla ricerca in ambito civile. Infatti l’ILL venne dotato di un reattore nucleare ideato per essere una sorgente di neutroni molto intensa già a partire dall’anno della sua fondazione avvenuta nel 1967 a opera di Francia e Germania. Negli anni diversi stati sono entrati come partner dell’ILL: Regno Unito (aderì nel 1973 ma divenne ufficialmente il terzo stato membro associato dal 1974), Spagna (1987- ), Svizzera (1988- ), Austria (1990- ), Italia (1997- ), Repubblica Ceca (1999- ), Svezia (2005- ), Ungheria (2005-2013), Belgio e Polonia (2006- ), Danimarca e Slovacchia (2009- ), India (2011-2014). Durante i suoi 50 anni di attività l’ILL è divenuto uno degli enti di ricerca più avanzati al mondo nel campo della neutronica. L’ILL ogni anno ospita 1400 ricercatori provenienti da 40 nazioni.
Il contributo dell’Italia nei confronti dell’ILL non è stato limitato ai finanziamenti dell’istituto poiché è stato caratterizzato dalla realizzazione di ricerche scientifiche significative e dallo sviluppo di strumentazione avanzata. Viceversa, il contributo dell’ILL al futuro della scienza in Italia e in Europa non è limitato solo alla strumentazione, ma anche al personale specializzato: 25 dottorandi di ricerca italiani sono stati assunti dall’ILL dall'inizio di questo secolo e più di 300 studenti italiani hanno frequentato le Giornate Didattiche organizzate dalla SISN fin dalla loro prima edizione del 2009.
La partnership tra il nostro Paese e l’ILL ha portato benefici anche all’industria privata: le aziende italiane hanno infatti potuto effettuare studi sui materiali impossibili da portare avanti senza la strumentazione e i ricercatori dell’istituto di ricerca di Grenoble.
Durante la conferenza organizzata dalla SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica), il 5 ottobre 2017 l'ILL ha organizzato una speciale conferenza a Trieste presso il Campus Miramare della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), nel contesto di FisMat, la Conferenza Italiana sulla Fisica della Materia.
In occasione di tale evento sono stati illustrate alcune ricerche guidate da ricercatori italiani che lavorano presso l’ILL.
Abbiamo colto l’occasione per intervistare il fisico Andrea Piovano che ha presentato una ricerca riguardante i materiali termoelettrici, abbiamo chiesto qual è il suo ruolo presso l’ILL, le ricerche che sta conducendo e i vantaggi che comporta la collaborazione tra gli enti di ricerca scientifica italiana con l’istituto di Grenoble.
Intervista ad Andrea Piovano
Andrea Piovano è fisico della materia presso l'ILL di Grenoble. Ci spiega qual è il suo lavoro e il suo settore di ricerca?
Da oltre 6 anni opero presso l’Institut Laue-Langevin come ricercatore e responsabile di strumento. In particolare, sono responsabile di uno strumento a tre assi per la spettroscopia neutronica su cristalli singoli chiamato IN8. Tra i miei compiti primari c’è l’accoglienza e l’assistenza ai ricercatori di istituti da tutto il mondo che si avvalgono della strumentazioni di ILL per gli esperimenti sui neutroni.
Svolgo, inoltre, attività di ricerca principalmente nell’ambito dei materiali per l’energia, in collaborazione con istituti ed università europee.
Lei è ricercatore all’Institut Laue-Langevin, può spiegarci un po' nel dettaglio cos'è l'ILL e come ha avuto inizio la sua carriera scientifica presso tale istituto?
ILL - Institut Laue-Langevin è un centro di riferimento nel mondo per la ricerca basata sui neutroni, poiché gestisce una delle sorgenti di neutroni più intense al mondo e convoglia fasci di neutroni verso oltre 40 strumenti ad alte prestazioni di ultima generazione. Fondato nel 1967 da Francia e Germania e raggiunta dal Regno Unito nel 1973, attualmente opera in collaborazione con altri 10 Paesi europei - tra cui l’Italia - l'Istituto è all'avanguardia a livello mondiale nella scienza e nella tecnologia dello scattering di neutroni.
Ogni anno vengono ospitati presso lLL circa 1400 ricercatori provenienti da oltre 40 paesi: l’Istituto mette loro a disposizione struttura e competenze per lo sviluppo di progetti di ricerca. Al termine di un processo di selezione e valutazione coordinato da un comitato scientifico di valutazione, vengono selezionati sempre su base annuale circa 800 esperimenti per essere eseguiti sui diversi strumenti.
La ricerca si concentra in alcuni settori principali: scienza dei materiali, fisica della materia condensata, chimica, biologia, fisica nucleare. Gli esperimenti sono molto vari: mentre alcuni lavorano sulla fisica dei dispositivi elettronici del futuro, su combustibili, materie plastiche e prodotti per la casa, altri scienziati studiano processi biologici a livello cellulare e molecolare.
Un ulteriore contributo viene dato da ILL all’astronomia: particolari fasci di neutroni aiutano infatti a spiegare i misteri dell’universo.
Gli scienziati di ILL - chimici, fisici, biologi, cristallografi, specialisti del magnetismo e della fisica nucleare - sono anche esperti nella ricerca e nella tecnologia neutronica e il loro know-how viene messo a disposizione della comunità scientifica: in quest’ottica, ILL collabora strettamente anche con i dipartimenti di ricerca e sviluppo industriali.
Io in particolare ho svolto una tesi di dottorato nell’ambito dei conduttori ionici per le celle a combustibile nella quale ho fatto largo uso di diverse tecniche basate sui raggi X e sui neutroni. Il primo esperimento con i neutroni all’ILL mi ha affascinato moltissimo, così come vedere come questa struttura rappresenti un punto di incontro e di confronto molto stimolante per ricercatori provenienti da tutto il mondo. Si è poi presentata l’occasione di partecipare al bando per la posizione di responsabile di strumento a tre assi all’ILL. Così sono entrato in ILL, nel ruolo che ho ancora oggi. Ritengo di aver intrapreso un’esperienza fondamentale per imparare il lavoro di “scienziato strumentale” e come sviluppare al meglio ambiti di ricerca legati alla tecnica.
Secondo la World Nuclear Association ad aprile 2017 nel mondo sono operativi 250 reattori nucleari per uso civile dislocati in 55 nazioni. Può spiegarci quali sono le differenze principali tra un reattore nucleare sorgente di neutroni e un reattore nucleare per la produzione di energia?
Le differenze principali sono nella funzione e nelle caratteristiche tecniche. Una centrale nucleare funziona per fornire energia elettrica per uso civile, mentre lo scopo di un reattore scientifico è di fornire un fascio di neutroni il più intenso possibile per scopi di ricerca. Di conseguenza, una centrale nucleare è studiata in modo da fornire un’alta potenza termica e, quindi, un’elevata potenza elettrica (le centrali moderne hanno in media una potenza termica di 3000 MW). Queste potenze si ottengono utilizzando un nocciolo di uranio piuttosto massivo. Al contrario un reattore di ricerca come l’ILL sprigiona solamente 60 MW termici da un nocciolo di uranio molto compatto e studiato per ottimizzare la fuoriuscita di neutroni.
Rispetto alle altre sorgenti neutroniche presenti in altre nazioni quali sono le differenze con la sorgente neutronica dell'ILL e soprattutto qual è l'utilizzo che viene fatto di tale sorgente? Quali sono cioè i campi di applicazione?
Molte delle sorgenti neutroniche per scopi scientifici presenti in Europa e nel mondo condividono il campo di applicazione con l’ILL.
Il reattore dell’ILL fu pensato fin dall’inizio per essere ottimale e quindi, da molto tempo, è quello che permette la più intensa diffusione al mondo dei neutroni dal nocciolo. Altre sorgenti basate sulla fissione nucleare sono quindi meno brillanti o al limite similari. Tuttavia, più recentemente, sono state sviluppate sorgenti basate sul principio della spallazione, in cui cioè i neutroni sono il prodotto secondario dell’interazione tra un fascio di particelle cariche e un bersaglio massivo, che possono in principio raggiungere brillanze più elevate e quindi aprire nuove frontiere di ricerca alle tecniche neutroniche. Un’altra applicazione molto importante dei fasci neutronici è quella dell’irraggiamento di elementi per produzione di radioisotopi per scopi medici e diagnostici.
Per svolgere le sue ricerche lei utilizza la spettroscopia neutronica. Può spiegarci di cosa si tratta e il ruolo che ricopre nella sua ricerca?
La spettroscopia neutronica è tutto ciò che riguarda l’analisi delle interazioni con scambio di energia tra i neutroni sonda e il campione in analisi. Si analizza quindi la risposta di un fascio di neutroni che interagisce con un materiale in funzione dell’energia, ma non solo. I neutroni sono infatti particelle dotate di massa, hanno una certa velocità e un quindi un certo momento lineare. Questo rende facilmente possibile studiare non solo le proprietà con zero scambio di momento come la maggior parte dellle tecniche basate sulla luce, ma anche di fare uno studio in funzione del momento scambiato. Questo apre un’ampia gamma di possibilità perché molte proprietà si trovano facendo l’analisi in tutto lo spettro dei momenti scambiati oltre che delle energie. I neutroni sono così una sonda che permette di ottenere informazioni molto precise sulla dinamica dei sistemi e quindi di come gli atomi si muovono tra loro e come si muovono singolarmente. Si può così, ad esempio, ricostruire la dinamica degli atomi in un cristallo e da questa dedurre un comportamento specifico che lo rende particolare, se non addirittura utile per qualche applicazione.
Nell'ambito della conferenza che si è tenuta qualche giorno fa a Trieste in occasione del ventennale dell'adesione dell'Italia all'ILL lei ha presentato le sue ricerche sui materiali termoelettrici che svolge attraverso l'utilizzo della spettroscopia neutronica. Cosa sono i materiali termoelettrici?
Si tratta di materiali in cui una differenza di temperatura ai due lati può creare un flusso netto di elettroni e quindi una corrente elettrica. Avendo un gradiente di temperatura, si può ottenere una corrente da poter utilizzare su un eventuale carico. E’ vero anche l’inverso, cioè si può applicare una tensione ai due capi per creare una differenza di temperatura. Questo permette di utilizzarli come refrigeratori, portando calore da un capo all’altro.
Esistono già applicazioni pratiche di questi materiali? A che punto è lo sviluppo dei materiali termoelettrici e quali sono le eventuali criticità?
Ad oggi, le applicazioni sono limitate a elettrodomestici di piccola taglia e a funzioni molto specifiche, poiché l’efficienza di questi dispositivi non è ancora tanto elevata da poter permettere applicazioni più importanti. Questo è dovuto alla difficoltà intrinseca ad avere un termoelettrico ottimale: la ricerca del futuro dovrà includere anche una conoscenza microscopica del comportamento di questi materiali per poter comprendere come ottimizzare i parametri che determinano la capacità termoelettrica.
In che modo la spettroscopia neutronica è di aiuto nel cercare di aumentare l'efficienza dei materiali termoelettrici?
la spettroscopia neutronica è fondamentale per raccogliere le informazioni microscopiche dei materiali e comprendere l’influenza di eventuali modifiche del materiale stesso sull’effetto termoelettrico.
Sappiamo che la conduzione termica nei materiali semiconduttori è principalmente dovuta alle vibrazioni atomiche. Ovvero, il calore viene trasportato sotto forma di onde di calore da quanti di vibrazione chiamati fononi, in particolare dai fononi acustici. Cercare di ottimizzare i materiali in modo da ridurre la capacità di questi fononi di trasportare calore da un punto all’altro del materiale è l’ingrediente fondamentale per poter ottenere dei termoelettrici efficienti. L’analisi dei risultati degli esperimenti consente di costruire dei modelli del fenomeno: attraverso questi modelli si cerca quindi di ottimizzare un materiale termoelettrico. Se il modello di partenza è sbagliato – perché non sono state ricavate informazioni microscopiche precise – si va nella direzione di sviluppo sbagliata, con ovvie conseguenze negative.
Presso l'ILL lavorano numero scienziati di diverse nazionalità tra cui un numero considerevole di italiani e l'Italia è partner dal 1997. Può spiegarci come funziona il partenariato?
Il partenariato prevede la possibilità di accesso agli strumenti dell’ILL ai ricercatori della nazione partner corrispondente in percentuale all’investimento finanziario del paese nel centro stesso. L’Italia è oggi in grado di utilizzare appieno questa percentuale di finanziamento. Inoltre, a conclusione degli esperimenti, in media gli scienziati italiani pubblicano molto: la percentuale relativa delle pubblicazione dell’Italia è quindi molto alta e questo indica che questa partnership è particolarmente fruttuosa. Inoltre, sempre come conseguenza del partenariato, attualmente circa una ventina di persone di origine italiana lavora direttamente come staff dell’ILL. Senza contare che ILL crea un terreno fertile per mostrare le capacità dei ricercatori e professori italiani nel campo non solo della spettroscopia neutronica, ma anche nello sviluppo della strumentazione stessa. Ci sono gruppi di ricercatori italiani che in qualità di personale esterno si occupano dei due strumenti costruiti in collaborazione tra Italia e ILL (IN13 e BRISP); c’è poi un nutrito gruppo di studenti PHD: vediamo che molto spesso gli italiani riescono ad eccellere anche in questi progetti, guadagnando numerose posizioni di ricerca.