Una legge universale per la materia vetrosa

Una nuova scoperta, frutto di un lavoro di ricerca pubblicato sulla rivista Nature Physics, riguardo alla complessa natura del passaggio di fase dallo stato liquido al vetro può portare alla sintesi di nuovi materiali con superiori proprietà termomeccaniche per vari utilizzi tecnologici. Lo studio, nello specifico, ha individuato un’inattesa relazione universale tra il coefficiente di espansione termica e la temperatura di transizione vetrosa nei sistemi che passano dallo stato liquido allo stato solido vetroso. La ricerca è stata condotta da un team italo-tedesco di cui fa parte Alessio Zaccone, docente del dipartimento di Fisica “Aldo Pontremoli”, già vincitore dell’ERC Consolidator Grant “Multimech” che ha finanziato parte del lavoro di ricerca insieme all’Army Research Office dell’Esercito degli Stati Uniti. Alessio Zaccone ha condotto lo studio con i colleghi Alois Loidl e Peter Lunkenheimer dell’ Università di Augsburg, Konrad Samwer dell’ Università di Göttingen e Birte Riechers del Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung di Berlino

“La materia nello stato vetroso presenta un affascinante rebus per chimici e fisici – spiega Zaccone -, in quanto i vetri sono materiali solidi, a tutti gli effetti, ma al loro interno gli atomi sono disposti in una maniera altamente disordinata. Questo li accomuna ai liquidi, da cui i vetri traggono origine attraverso un processo di raffreddamento brusco, mentre li differenzia dai solidi cristallini in cui gli atomi sono organizzati in un reticolo estremamente ordinato. Secondo il premio Nobel Phil W. Anderson, la natura della transizione di fase da liquido a vetro rappresenta tuttora uno dei più profondi problemi irrisolti della fisica. In particolare, rimane impossibile prevedere sistematicamente la temperatura a cui il passaggio da liquido a vetro avviene, nota come temperatura di transizione vetrosa”.

Il nuovo studio ha evidenziato una correlazione universale tra la temperatura di transizione vetrosa e il coefficiente di espansione termica del vetro (quest’ultimo quantifica di quanto aumenta il volume del vetro all’aumentare della temperatura). La relazione è valida per un numero di materiali superiore a 200, e coinvolge una terza quantità fisica nota come fragilità del vetro che rappresenta la curvatura della dipendenza della viscosità del liquido al diminuire della temperatura verso la transizione vetrosa.

La nuova relazione scoperta in questo studio, oltre ad essere universale, cioè valida per quasi tutte le composizioni chimiche di vetri usati dall’uomo o esistenti in natura, è anche supportata da una cornice teorica: essa può essere recuperata all’interno del modello atomico della viscosità dei liquidi noto, nella letteratura specializzata, come modello di Krausser-Samwer-Zaccone (KSZ).

“Una legge simile che collega temperatura di fusione e coefficiente di espansione termica – spiega ancora Alessio Zaccone - era già nota per i solidi cristallini e si riconduce al lavoro di Lindemann nei primi anni del Novecento, ma in quel caso la proporzionalità inversa tra temperatura di transizione ed espansione termica non è  mediata dalla fragilità, come invece avviene per i vetri. Questo fatto è di grande importanza in quanto indica come nei vetri, a differenza dei cristalli, il processo di fusione non è  semplicemente dovuto alla lunghezza di vibrazione termica degli atomi che diventa più ampia della lunghezza di reticolo, ma si tratta di un processo molto più cooperativo che riguarda moti coordinati e fortemente correlati tra un numero significativo di atomi. Inoltre, lo studio svela una sorprendente correlazione tra espansione termica nel liquido e nel vetro che ancora una volta può  essere interpretata mediante il modello atomico”. Secondo i ricercatori, questa scoperta può portare alla sintesi di nuovi materiali con superiori proprietà termomeccaniche per vari utilizzi tecnologici.

Il link allo studio pubblicato su Nature Physics.