Per la fisica il vetro è ancora oggi un materiale misterioso. I sistemi vetrosi infatti presentano un carattere ibrido: né liquidi né solidi, per questo motivo la loro esatta natura lascia da sempre aperte alcune questioni fondamentali. Si tratta infatti di materiali comunemente ottenuti raffreddando rapidamente un liquido al di sotto della sua temperatura di cristallizzazione, dotati di proprietà meccaniche tipiche dei solidi ma di una struttura microscopica simile a quella dei liquidi. Un nuovo studio della Sapienza, realizzato in collaborazione con il Politecnico di Milano e l’Università Autonoma di Barcellona, potrebbe aiutare però a scoprire una volta per tutte le esatte caratteristiche dei sistemi vetrosi. Merito di un nuovo protocollo sperimentale, descritto sulle pagine dei Proceedings of the National Academy of Sciences, che permette di aggirare l’ostacolo maggiore in questo tipo di studi: quello dei tempi di osservazione.
Un aspetto cruciale, sul quale si dividono le moderne teorie alla base della transizione vetrosa, è infatti l’esistenza o meno di una particolare temperatura al di sopra dello zero assoluto alla quale la viscosità (cioè la resistenza allo scorrimento) divergerebbe, assumendo quindi valori infinitamente elevati. A supporto delle due ipotesi, spiegano i ricercatori della Sapienza, vengono spesso chiamate in causa argomentazioni approssimative, come la (erronea) vulgata secondo cui le vetrate delle cattedrali gotiche sarebbero più spesse alla base, per effetto dell’incessante fluire nei secoli sotto il loro stesso peso.
Appurare sperimentalmente l’esistenza di una temperatura alla quale un vetro smette di fluire presenta effettivamente fondamentali limiti concettuali, perché una risposta diretta a questa domanda presuppone, come abbiamo accennato, tempi di osservazione lunghissimi. È qui che entra il gioco il protocollo sperimentale proposto dai ricercatori della Sapienza
Grazie a un particolare metodo di sintesi, vengono rapidamente ottenuti materiali amorfi con età confrontabile a quella di vetri invecchiati per millenni. Misurandone poi le proprietà meccaniche con una avanzata tecnica spettroscopica basata sull’utilizzo di laser al femtosecondo, ideata e realizzata dagli stessi studiosi, è possibile determinare gli elevatissimi valori di viscosità tipici di un vetro.
“Siamo riusciti a determinare con precisione tempi di rilassamento di migliaia di anni, talmente lunghi da risultare inaccessibili con qualunque altra tecnica esistente, dimostrando così che a temperature molto inferiori al punto di transizione vetrosa non vi è arresto strutturale, ovvero la
divergenza di viscosità aspettata secondo accreditate modellizzazioni dello stato vetroso”, spiega Tullio Scopigno, docente di Termodinamica del dipartimento di Fisica della Sapienza e coordinatore dello studio. “Per fare questo abbiamo dovuto riprodurre velocemente vetri millenari, assemblandoli molecola per molecola e controllandone l’età con grande precisione. Un po’ come ottenere vini perfettamente affinati senza doverne attendere l’invecchiamento!”
La sperimentazione porta dunque a escludere l’esistenza di una temperatura caratteristica alla quale la viscosità diverge, ovvero un vetro smette di fluire, invalidando le teorie della transizione vetrosa basate appunto sulla divergenza del cosiddetto tempo di rilassamento strutturale.
Riferimenti: Probing equilibrium glass flow up to exapoise viscosities; Eva Arianna Aurelia Pogna, Cristian Rodríguez-Tinoco, Giulio Cerullo, Carino Ferrante, Javier Rodríguez-Viejo, and Tullio Scopigno; Pnas doi:10.1073/pnas.1423435112
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