Un vetro può essere immaginato come un liquido che ha perso la sua capacità di fluire. Questa definizione riflette la procedura utilizzata comunemente per produrre i vetri, vale a dire per raffreddamento rapido del fuso. Infatti, quando un liquido è raffreddato al di sotto della sua temperatura di fusione – o, come si dice, è sottoraffreddato – il moto molecolare rallenta fino al punto che, alla transizione vetrosa, il liquido appare all’osservatore come congelato: si è ottenuto un vetro. Nonostante i vetri siano utilizzati in innumerevoli applicazioni tecnologiche, resta da chiarire quale sia il meccanismo microscopico alla base della loro formazione.
Un modo per capire cosa succeda alla transizione vetrosa è quello di studiare i moti molecolari, chiamati processi di rilassamento, grazie ai quali un liquido ritorna all’equilibrio dopo una piccola perturbazione. Consideriamo per esempio il caso di una fluttuazione di densità: in un liquido al di sopra della temperatura di fusione – come l’acqua a temperatura ambiente – la struttura cambia, cioè rilassa tornando all’equilibrio, in pochi picosecondi (milionesimi di milionesimi di secondo), mentre in prossimità della transizione vetrosa la struttura cambia su tempi dell’ordine di centinaia di secondi. Questo rilassamento strutturale è tuttavia anticipato dalla comparsa di un processo dinamico più veloce, noto come rilassamento Johari-Goldstein, il cui ruolo nella transizione vetrosa è argomento di animata discussione.
Il team di ricerca internazionale ha utilizzato un interferometro per raggi X del sincrotrone europeo ESRF dopo la caratterizzazione preliminare dei campioni a Pisa (Rete di strumentazioni CISUP) per studiare, alla scala atomica, il rilassamento Johari-Goldstein in un liquido a temperature prossime alla transizione vetrosa.
I risultati ottenuti forniscono una nuova prospettiva della dinamica microscopica in un liquido sottoraffreddato: il processo Johari-Goldstein segnala la formazione di una struttura a mosaico, con tasselli di molecole meno mobili (sfere bianche in figura) separati da una rete in continua evoluzione di molecole più mobili (sfere rosse). La comparsa di questa struttura a mosaico conferma l’idea che una transizione di natura dinamica ha luogo nei liquidi sottoraffreddati, come suggerito da alcuni modelli teorici della transizione vetrosa.
Figura 1. Rappresentazione delle molecole che in un liquido sottoraffreddato partecipano al rilassamento Johari-Goldstein (sfere rosse) ad un dato istante. Queste molecole sono molto mobili, si muovono a distanze maggiori del resto delle molecole (sfere bianche) e sono connesse spazialmente in un’unica struttura che attraversa l’intero liquido.
«Questo esperimento - dice Federico Caporaletti ora al Van der Waals-Zeeman Institute - Institute of Physics/Van’t Hoff Institute for Molecular Sciences dell’Università di Amsterdam ma che ha iniziato la ricerca durante il suo dottorato al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento - chiarisce come i liquidi a temperature molto basse siano molto eterogenei da un punto di vista dinamico: alcune molecole sono più lente ed altre più veloci, con queste ultime connesse spazialmente in una sorta di ragnatela che attraversa l’intero liquido».
«L’eterogeneità dei moti molecolari che osserviamo - sottolinea Simone Capaccioli del Dipartimento di Fisica “Enrico Fermi” dell’Università di Pisa e direttore CISUP - potrebbe spiegare alcune importanti proprietà di questi materiali, quali la loro elasticità e duttilità».
«Questo risultato - conclude Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica ed Astronomia “Galileo Galilei” dell’Università di Padova e coordinatore del lavoro - contribuisce a chiarire i meccanismi microscopici in base ai quali alcuni liquidi possono dar luogo ad un vetro, ad esempio un silicato fuso che diventa un vetro di finestra, invece di cristallizzare, come fa invece l’acqua quando ghiaccia».
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Link alla ricerca: https://doi.org/10.1038/s41467-021-22154-8
Titolo: “Experimental evidence of mosaic structure in strongly supercooled molecular liquids”, in «Nature Communications» - 2021 –
Autori: F. Caporaletti (a,g) S. Capaccioli (b,c), S. Valenti (d), M. Mikolasek (e), A.I. Chumakov (e,f), G. Monaco (a,h)
(a) Dipartimento di Fisica, Università di Trento (Italy)
(b) Dipartimento di Fisica “E. Fermi”, Università di Pisa (Italy)
(c) CISUP, Centro per l’Integrazione della Strumentazione dell’Universitá di Pisa (Italy)
(d) Department of Physics, Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona (Spain)
(e) European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (France)
(f) National Research Center ‘Kurchatov Institute’, Moscow (Russia)
(g) Present address: Van der Waals-Zeeman Institute, Institute of Physics/Van’t Hoff Institute for Molecular Sciences, University of Amsterdam (Netherlands)
(h) Present address: Dipartimento di Fisica ed Astronomia, Universitá di Padova (Italy)