Un vetro è per sempre?
Un nuovo esperimento coordinato da un gruppo di ricercatori della Sapienza segna un passo decisivo per la verifica delle teorie sulla transizione vetrosa
Il carattere ibrido dei sistemi vetrosi, n├® liquidi n├® solidi, da sempre lascia aperte questioni fondamentali sulla loro natura e sul loro comportamento: 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. Durante la formazione vetrosa si realizza un enorme aumento di viscosità, cioè di resistenza allo scorrimento. Un aspetto cruciale, sul quale si dividono le moderne teorie alla base della transizione vetrosa, è l’esistenza o meno di una particolare temperatura al di sopra dello zero assoluto alla quale la viscosità divergerebbe, assumendo quindi valori infinitamente elevati. A supporto delle due ipotesi vengono spesso chiamate in causa argomentazioni approssimative, come la (erronea) vulgata secondo cui le vetrate delle cattedrali gotiche sarebbero pi├╣ 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, perch├® una risposta diretta a questa domanda presuppone tempi di osservazione lunghissimi.
In un articolo appena pubblicato nelle Early Edition di Pnas (doi: 10.1073/pnas.1423435112) un team di ricercatori Sapienza, in collaborazione con il Politecnico di Milano e l’Università Autonoma di Barcellona, dimostra un nuovo protocollo sperimentale che consente di aggirare l’ostacolo. Grazie a un particolare metodo di sintesi, vengono rapidamente ottenenuti materiali amorfi con età confrontabile a quella di vetri invecchiati per millenni. Misurandone poi le proprietà meccaniche con una avazata 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’eta’ 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. La ricerca, coordinata dal gruppo di Tullio Scopigno è stata condotta in collaborazione con i gruppi dei docenti Giulio Cerullo del Politecnico di Milano e J.R. Viejo dell’Università Autonoma di Barcellona.
Info
Tullio Scopigno - tel. 0649913314 - tullio.scopigno@roma1.infn.it