Scoperto un nuovo stato vetroso ionico della materia con proprietà controintuitive

Un team internazionale di ricercatori e ricercatrici olandesi e italiani ha scoperto una nuova classe di materiali vetrosi ionici che sfida uno dei paradigmi più consolidati della fisica dello stato vetroso. Il lavoro, pubblicato su Nature Communications, mostra per la prima volta che in questi materiali la relazione tra la “fragilità” del vetro e l’ampiezza dello spettro di rilassamento è invertita rispetto a quanto osservato in tutti i vetri convenzionali noti fino ad ora.

A questa scoperta ha partecipato Alessio Zaccone, docente di Metodi Matematici della Fisica presso il dipartimento di Fisica “A. Pontremoli” dell’Università Statale di Milano. Il suo lavoro di modellazione matematica ha fornito il quadro concettuale per comprendere il nuovo stato vetroso e il meccanismo fisico che ne governa le proprietà dinamiche.


Un nuovo paradigma per i vetri

Quando un liquido viene raffreddato fino a diventare vetro, la sua dinamica rallenta drasticamente. Tradizionalmente, i liquidi sottoraffreddati si classificano come “forti” o “fragili” a seconda di quanto rapidamente aumenta la viscosità avvicinandosi alla temperatura di transizione vetrosa. Per i liquidi fragili la viscosità aumenta enormemente, di circa 13 ordini di grandezza, in un piccolo intervallo di temperatura, in prossimità della transizione vetrosa. Nei materiali vetrosi classici, a una maggiore fragilità corrisponde uno spettro di rilassamento più ampio e non esponenziale, segno di una dinamica fortemente cooperativa.

Il nuovo studio dimostra che nei vetri ionici organici – materiali polimerici tenuti insieme da interazioni elettrostatiche di lungo raggio – questa correlazione si ribalta: materiali con una bassa fragilità (tipica dei vetri “forti”) mostrano uno spettro di rilassamento sorprendentemente ampio e fortemente non esponenziale.


Il contributo teorico: perché la relazione si inverte

Il contributo di Zaccone è stato decisivo per interpretare questo comportamento anomalo. La teoria sviluppata nel lavoro mostra che le interazioni ioniche di lungo raggio aumentano in modo significativo l’energia di coesione del materiale e ne riducono l’espansione termica. Questo effetto rende il vetro meno fragile dal punto di vista termodinamico e meccanico.

Allo stesso tempo, però, la presenza di cariche elettriche e di legami chimici covalenti lungo le catene polimeriche, introduce forti eterogeneità dinamiche: diverse regioni del materiale rilassano su tempi molto differenti. Il risultato è uno spettro di rilassamento estremamente ampio, descritto matematicamente da un’esponente di stiramento (detto anche esponente di rilassamento di Kohlrausch) molto piccolo. In altre parole, il materiale è “forte” nel modo in cui entra nello stato vetroso, ma “complesso” e altamente dissipativo nella sua risposta meccanica.

Questo quadro teorico chiarisce per la prima volta come sia possibile disaccoppiare fragilità e ampiezza dello spettro di rilassamento, dimostrando che la relazione empirica nota da decenni non è universale, ma dipende dalla natura microscopica delle interazioni.

Implicazioni e applicazioni

La scoperta apre nuove prospettive per la progettazione di materiali avanzati. Questi nuovi vetri ionici combinano infatti la processabilità dei vetri forti, come il vetro di silice, con la capacità di dissipare energia tipica dei polimeri. Si tratta di una combinazione finora considerata irraggiungibile, con potenziali applicazioni che spaziano dai materiali strutturali resilienti ai dispositivi per lo smorzamento delle vibrazioni.

“Questo lavoro mostra come un approccio teorico rigoroso possa rivelare comportamenti completamente nuovi della materia disordinata”- commenta Zaccone - “Capire il ruolo delle interazioni ioniche nel vetro ci permette non solo di spiegare risultati sperimentali inattesi, ma anche di guidare lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà su misura”.

Lo studio conferma ancora una volta il ruolo centrale dell’Università Statale di Milano nella ricerca teorica di frontiera sulla fisica dei materiali complessi e sullo stato vetroso.