Alla ricerca di difetti topologici nei vetri tridimensionali

Geometria e topologia giocano un ruolo centrale nella fisica moderna, dalla formazione delle stringhe cosmiche nell’universo primordiale fino agli intricati pattern di crescita delle foglie e dei petali di rosa. Da una prospettiva applicata, i difetti topologici sono fondamentali per comprendere la rottura meccanica nei materiali solidi e per descrivere i fenomeni di fusione nei sistemi bidimensionali.

La definizione dei difetti richiede tuttavia una configurazione di riferimento, tipicamente uno sfondo ordinato idealizzato. Nei cristalli, gli atomi sono disposti in reticoli periodici, rompendo la simmetria traslazionale continua in un sottogruppo discreto. Questo sfondo ordinato consente una definizione precisa di difetti come dislocazioni e disclinazioni.

Al contrario, i materiali amorfi, come il vetro di una finestra, mancano di ordine a lungo raggio. Le disposizioni atomiche risultano disordinate oltre poche distanze interatomiche, rendendo particolarmente sfuggente l’identificazione e la classificazione dei difetti. Tuttavia, questa non è solo una sfida accademica: la capacità di prevedere dove e come un vetro possa rompersi sotto sforzo ha implicazioni dirette per la progettazione dei materiali, la sicurezza e l’ingegneria.

Negli ultimi anni sono stati compiuti importanti progressi nell’identificazione dei difetti topologici nei vetri. Tuttavia, questi sviluppi si sono finora limitati a modelli semplificati bidimensionali, riducendo la loro rilevanza per i materiali reali. In una recente pubblicazione su Nature Communications, il Dottor Arabinda Bera e il Professor Alessio Zaccone, entrambi dell'Università degli Studi di Milano, in collaborazione con il Professor Matteo Baggioli della Shanghai Jiao Tong University, hanno introdotto per la prima volta una definizione solida di difetti topologici nei vetri tridimensionali.

Il loro approccio si basa sul concetto di difetti topologici di tipo "hedgehog" (riccio), un riferimento giocoso ai piccoli animali spesso visibili in campagna durante la notte. Fondamentalmente, lo studio dimostra che in tre dimensioni la sola topologia non è sufficiente: diventa essenziale anche la geometria del difetto, in particolare la configurazione spaziale intorno al suo nucleo. In particolare, il team ha scoperto che le regioni soggette a deformazioni plastiche e rottura meccanica sono associate a difetti di tipo "hedgehog" con forma iperbolica, strutture che presentano direzioni intrinsecamente instabili.

Questo lavoro fornisce un quadro teorico ben definito e fisicamente fondato per identificare i difetti nei materiali amorfi tridimensionali realistici. Apre nuove strade per la comprensione dei meccanismi di rottura nei vetri e offre applicazioni promettenti in fisica, scienza dei materiali e ingegneria.