FUSIONE

Fisica

I corpi solidi fondono a una temperatura più o meno elevata. Alcuni di essi, come il vetro o la cera, diventano liquidi solo gradatamente passando prima allo stato pastoso; nella maggior parte dei casi si ha invece una fusione brusca, vale a dire un passaggio senza stati intermedi dallo stato solido allo stato liquido. Il fenomeno della fusione brusca, tipico dei solidi a struttura cristallina, è sottoposto alle seguenti due regole principali: 1. un corpo puro fonde sempre a una stessa temperatura, detta punto di fusione, che dipende soltanto dalla natura del corpo e dalla pressione alla quale esso è sottoposto; 2. la temperatura del corpo rimane inalterata durante tutto il processo di fusione. Si può interpretare il meccanismo della fusione mediante la struttura molecolare della materia; essendo l'agitazione delle molecole tanto maggiore quanto maggiore è la temperatura, esiste per ogni corpo solido una temperatura critica per cui il moto molecolare è tale da indurre il cambiamento del suo stato.

Punto di fusione. Per convenzione il ghiaccio fonde alla temperatura di 0 sC. Anticamente, i materiali che sembravano non essere soggetti alla fusione prendevano il nome di refrattari. Oggigiorno l'impiego dei forni elettrici permette la fusione di qualunque corpo solido, esclusi quelli che vengono decomposti dal calore prima che abbia inizio il processo di fusione. Diamo qui di seguito il punto di fusione di alcune sostanze:

Calore di fusione. Poiché la temperatura rimane costante durante tutto il processo di fusione di una sostanza pura, il calore fornito dalla sorgente è unicamente impiegato per il cambiamento di stato della sostanza stessa. Si dice calore latente di fusione la quantità di calore che è necessario fornire all'unità di massa, che si trova alla temperatura di fusione, affinché questa fonda completamente, mantenendo costante la propria temperatura. Il calore di fusione costituisce, per ogni sostanza pura, una costante fisica caratteristica.

Cambiamento di volume a seguito della fusione. La maggior parte dei solidi, fondendo, aumenta di volume. Tuttavia il ghiaccio, il bismuto, la ghisa fanno eccezione a questa regola.

Influenza della pressione sulla temperatura di fusione. Per i corpi il cui volume aumenta con la fusione, un accrescimento della pressione innalza il punto di fusione; per quelli, invece, il cui volume diminuisce nella fusione, come avviene per il ghiaccio, un accrescimento della pressione abbassa il punto di fusione. In generale la temperatura di fusione di un corpo varia di circa 1/100 di grado, quando la pressione cui il corpo è sottoposto varia di un'atmosfera. In base all'abbassamento del punto di fusione del ghiaccio con l'aumentare della pressione, J. Tyndall riuscì a spiegare il moto dei ghiacciai.

Fusione nucleare. In una reazione nucleare di fusione i due nuclei dotati di alta energia producono urtandosi un riordinamento dei loro nucleoni, dando luogo a due o più prodotti di reazione con sviluppo di energia. L'interesse di queste reazioni, scoperte negli anni tra il 1920 e il 1930, sta nel fatto che potrebbero essere utilizzate come fonti di energia: infatti l'elemento più importante che interviene nella fusione, il deuterio, si trova in natura e si può ottenere dall'acqua pesante; inoltre le reazioni di fusione non lasciano residui radioattivi. Perché la reazione avvenga, occorre dare alle particelle urtantisi un'energia sufficiente a vincere la loro repulsione coulombiana. Questa avviene solo se nella materia i nuclei atomici si muovono a velocità così elevate che la loro distanza sia nell'ordine di 10-13 cm. L'elevata velocità corrisponde a un'elevata temperatura. Nel caso di una reazione deuterio-trizio la temperatura dovrebbe essere di circa 100 milioni di gradi. Temperature così elevate si possono raggiungere solo confinando il plasma. Il confinamento può essere di due tipi: inerziale o magnetico. Mentre la temperatura del plasma controlla l'energia di collisione tra i nuclei, e quindi la probabilità di fusione tra di essi, la densità del plasma e la durata dell'interazione tra i nuclei debbono raggiungere valori adeguati perché si abbia un bilancio energetico positivo. Il prodotto del tempo in secondi e della densità in ioni per cm³ prende il nome di numero di Lawson e negli esperimenti più avanzati ha raggiunto il valore di 5×10¹³, mentre il valore minimo per raggiungere il mantenimento della "ignizione" è di 3×10¹4. La temperatura raggiunta negli esperimenti, per i quali si è ottenuto un così alto numero di Lawson, non ha fino a oggi superato i 10 milioni di gradi. Nel 1983, al Massachusetts Institute of Technology, il Tokamak Alcator ha raggiunto condizioni approssimativamente uguali a quelle fissate dal criterio di Lawson. Tale risultato è stato ottenuto grazie all'impiego di pastiglie di deuterio solido iniettate ad alta velocità nel plasma. Durante la fase di evaporazione del deuterio, che è molto rapida, si sono ottenute densità di 10¹5 ioni/cm³ per alcune decine di millisecondi. Pur essendo ancora lontani dalle condizioni pratiche affinché il processo si autosostenga, questo risultato è di grande rilievo per gli sviluppi futuri. L'uso di deuterio solido potrà estendersi anche ad altre macchine, in particolare al TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) di Princeton. Sono in corso di realizzazione anche progetti che non usano il Tokamak, come nel caso della MFTR-B, in cui il plasma è confinato mediante specchi magnetici accoppiati. Di rilievo in Europa il progetto NET, ultimo passo prima della realizzazione di un reattore a fusione di prova. A partire dalla metà degli anni Ottanta si è anche incominciato a parlare di fusione fredda. Per la fusione fredda due sono le vie: quella muonica e quella chimica. Nella prima si utilizzano i muoni che innescano la reazione in un plasma che ha "solo" una temperatura di 250 K. Nel secondo caso la reazione avviene a temperatura ambiente in un'apposita cella elettrolitica, in cui uno degli elettrodi è costituito da un reticolo di palladio che agirebbe da catalizzatore. Nel 1989 due scienziati dell'Università dello Utah, M. Fleischmann e S. Pons, hanno annunciato di aver ottenuto sperimentalmente la fusione fredda con questo secondo metodo, ma la ripetizione del loro esperimento non ha dato sempre gli stessi risultati e il metodo attende ancora un'effettiva verifica. Manca peraltro una convincente giustificazione teorica del fenomeno, che anzi sembra contraddire le teorie fisiche attualmente accettate.

Metallurgia

La fusione si effettua nei forni, la cui costituzione varia a seconda dei materiali trattati. Può avvenire con o senza reazione chimica: le fusioni senza reazione chimica consentono la colata di un metallo o di una lega o la separazione allo stato liquido di due metalli non miscibili o soltanto parzialmente miscibili, o la separazione di due elementi di una lega a diverso punto di fusione, o l'arricchimento di un minerale la cui ganga, più fusibile, può essere separata per riscaldamento. Le fusioni con reazione chimica costituiscono le operazioni fondamentali nella metallurgia di preparazione dei metalli con partenza dai loro minerali; si distinguono: la fusione ossidante, nel corso della quale alcune sostanze sono eliminate per ossidazione all'aria (conversione, coppellazione), o con l'ausilio di disossidanti (minerali, rottami metallici, impiegati nei forni a suola e nei forni a riverbero); la fusione riducente, che permette l'elaborazione di un metallo o di una lega a partire da un ossido (riduzione all'altoforno dell'ossido di ferro con l'ossido di carbonio); la fusione con scorificazione, che separa la ganga dal minerale, in precedenza addizionato con sostanze che facilitano la formazione di scoria di matta, come nella metallurgia del rame; le fusioni speciali con reazione e che sono fusione carburante, fusione solforante, fusione con mutua reazione tra due composti, come solfuro e ossido, ecc.

La fusione è sempre caratterizzata da una anomalia nel diagramma temperatura/tempo: il principio di Le Chatelier afferma allora l'esistenza di una reazione endotermica che viene a opporsi all'apporto esterno di calore. Quando si è in presenza di un sistema a un solo componente (metallo puro), durante tutta la fase di fusione la temperatura rimane costante (temperatura di fusione), per cui il diagramma ha un tratto orizzontale (legge delle fasi). Se si tratta invece di sistemi a più componenti, si può avere sia arresto di riscaldamento, sia rallentamento (intervallo di fusione), sia entrambi i fenomeni successivamente.

La fusione a zone viene effettuata provocando la fusione di uno strato trasversale di un lingotto, opportunamente sostenuto, del materiale da affinare mediante un riscaldatore (a resistenza, a induzione, a bombardamento elettronico); questo viene poi lentamente spostato lungo l'intero lingotto, in modo da spostare in corrispondenza la zona fusa.

Il processo è stato introdotto e viene largamente usato per affinare semiconduttori (germanio, silicio), per cui è necessario che il grado di purezza sia dell'ordine di 1 atomo di impurezza ogni 108-10¹s atomi. Lo stesso processo serve per la drogatura degli stessi semiconduttori.

Genetica

La fusione di cellule viventi può essere ottenuta a seguito di alterazioni delle plasmamembrane con conseguente mescolamento del loro contenuto citoplasmatico. Ne può derivare una singola cellula contenente entrambi i nuclei delle due cellule parentali (si parla allora di "eterocarionti"), oppure si può ottenere una cellula ibrida, in cui il nucleo è unico e risulta contenere cromosomi derivati da entrambi i genitori. Si possono impiegare diversi agenti per promuovere la fusione di membrane cellulari: virus inattivati e reattivi lipofilici o lipolitici tipo lisolecitina e polietilenglicoli. Con il loro impiego sono state ottenute fusioni tra cellule di uomo e di topo, e di pianta e di uomo. Gli ibridi che ne risultano possono essere coltivati in laboratorio come le cellule parentali. Appropriati sistemi selettivi permettono di eliminare le cellule parentali che non si sono fuse; è così possibile ottenere cellule ibride essenzialmente pure. Uno dei risultati più importanti della fusione cellulare è la produzione di ibridomi.