Tutte le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche, ottiche, termiche,
etc. di un materiale sono dovute alla sua struttura, che a sua volta è
dovuta alle interazioni fra gli elettroni che costituiscono gli atomi delle
diverse sostanze che compongono il materiale. La meccanica quantistica
è in grado di descrivere tutte queste caratteristiche, anche se
molto spesso la matematica necessaria per ottenere questi risultati è
molto impegnativa e ci si deve accontentare di risultati approssimati che
non sempre permettono la piena comprensione della fisica del materiale
oggetto di studio.
Nel caso dei metalli la struttura è relativamente semplice: tutti
gli elettroni più esterni degli atomi si mescolano fra loro, formando
un “mare” in cui sono distribuiti i nuclei con gli elettroni più
interni. Sono le caratteristiche di questo “mare” a dare ai metalli tutte
le loro proprietà. Per esempio buona conducibilità elettrica
è dovuta proprio al fatto che gli elettroni possono “navigare”
liberamente in questo “mare”, scontrandosi solo raramente con qualche
nucleo. Le caratteristiche ottiche di un materiale sono dovute alle interazioni
fra il campo elettromagnetico e gli
elettroni del materiale. Nel caso dei metalli anche la tipica lucentezza,
brillante e speculare è dovuta alla notevole libertà di
movimento degli elettroni. Quando un’onda elettromagnetica raggiunge la
superficie di un metallo, mette in movimento gli elettroni (e questo spiega
perchè le antenne siano spesso realizzate di metallo). Se la frequenza
dell’onda è molto alta, come nel caso della radiazione infrarossa,
visibile od ultravioletta, gli elettroni in movimento irradiano buona
parte dell’energia che l’onda incidente gli cede. Per cui, a meno che
il metallo non sia lavorato in lamine molto sottili, l’onda elettromagnetica
viene riflessa verso l’esterno identica a se stessa.
Per quanto riguarda la seconda parte della domanda, essa è perfettamente
pertinente al discorsco, al contrario di quanto potrebbe sembrare ad un
occhio non abituato a questi studi: si tratta sempre di riuscire a comprendere
le proprietà di un materiale, cosa che si ottiene con lo studio
della sua struttura microscopica. I metalli sono duttili e malleabili perchè
la loro struttura è quella di un “mare” in cui gli atomi sono distribuiti
con una certa regolarità. Ma, entro certi limiti, è possibile
deformarli (come è possibile fare con i liquidi). Il vetro, come
tutte le sostanze molto dure, ha la caratteristica di rompersi facilmente.
Il fatto di essere materiali molto duri, infatti, è dovuto alla
particolare forza dei legami fra i singoli atomi, che non si spostano facilmente
fra atomi vicini, come avviene facilmente in un liquido e con poco sforzo
in un materiale duttile. Pertanto i materiali duri non si deformano: si
spezzano quando la forza applicata è sufficientemente elevata.
Sul numero di Febbraio 2000 de LE SCIENZE c’è un interessante
articolo sulla fragilità dei materiali.