Un microcalorimetro è un dispositivo termico sensibile utilizzato per misurare l’energia di singole particelle o fotoni, particelle elementari di luce. È un tipo di calorimetro, uno strumento che misura il calore rilasciato da reazioni fisiche o chimiche in un campione. I microcalorimetri sono utilizzati in astrofisica per misurare l’energia dei fotoni di raggi X dallo spazio. Un dispositivo correlato, il microcalorimetro isotermico, viene utilizzato in biochimica e campi correlati per rilevare piccoli cambiamenti di energia a basse temperature.
La legge di conservazione dell’energia, una legge fondamentale della fisica, afferma che l’energia non può essere creata o distrutta, ma può essere solo convertita in altre forme. I microcalorimetri funzionano in base a questo principio. L’energia di un’interazione fisica o di una reazione chimica viene trasformata in calore all’interno del sistema e, misurando la variazione di calore che ne risulta, è possibile dedurre l’energia dell’interazione.
Il tipo di microcalorimetro utilizzato in astrofisica è costituito da tre componenti principali: un assorbitore, un dissipatore di calore e un termistore. Quando un fotone di raggi X colpisce l’assorbitore, l’energia viene trasferita a un elettrone in un atomo del materiale dell’assorbitore. Questa energia provoca l’eccitazione dell’elettrone: salta più lontano dal nucleo atomico e si libera dall’orbita. Altri elettroni nell’assorbitore possono essere eccitati in misura minore da questo elettrone sciolto, salendo a orbite di energia più elevata attorno ai rispettivi atomi.
Gli elettroni eccitati rilasciano energia quando ritornano al loro stato fondamentale, o stato energetico più basso, un’orbita stabile attorno agli atomi. L’energia rilasciata in questo processo viene conservata e convertita in calore, provocando un aumento minimo della temperatura nell’assorbitore. Un dispositivo termometro nell’assorbitore noto come termistore rileva questa variazione di temperatura. Il calore fluisce quindi nel dissipatore di calore, facendo tornare l’assorbitore alla sua temperatura originale. Misurando la variazione di temperatura causata dall’impatto dei raggi X, è possibile calcolare l’energia originale dei raggi X.
Il microcalorimetro isotermico funziona più o meno allo stesso modo, sebbene venga utilizzato per misurare le interazioni chimiche piuttosto che l’energia dei fotoni. Questo dispositivo è costituito da un dissipatore di calore e da un recipiente di reazione chiuso in cui avviene la reazione chimica. Il dissipatore di calore assicura che il recipiente di reazione sia mantenuto a una temperatura costante, consentendo misurazioni esatte. Quando avviene la reazione chimica, una certa quantità di energia viene rilasciata sotto forma di calore o assorbita, provocando una variazione di temperatura che viene registrata dal microcalorimetro. I microcalorimetri isotermici hanno applicazioni nella chimica fisica, nella biochimica e nell’industria farmaceutica perché forniscono un modo altamente sensibile per analizzare il flusso di calore in una reazione.
I microcalorimetri devono funzionare a basse temperature in modo che i minimi cambiamenti di calore che misurano possano essere registrati. Ad esempio, i dispositivi utilizzati in astrofisica sono mantenuti vicini allo zero assoluto. A questa temperatura è possibile rilevare anche la piccola variazione di energia termica causata dall’impatto di un singolo fotone. I microcalorimetri isotermici non sono così estremi, ma vengono comunque mantenuti a temperature molto più basse rispetto ai calorimetri su macroscala.