Un importante passo avanti nella comprensione della materia vetrosa arriva dal centro di luce dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble. Un team internazionale di ricercatori delle Università di Bruxelles, Padova e Pisa, insieme agli scienziati dell’ESRF, ha pubblicato sulla rivista Nature Physics lo studio intitolato “Crossover of quasi-localized dynamics and diffusion in supercooled liquids”, proponendo una nuova interpretazione della dinamica molecolare che accompagna il passaggio di un liquido verso lo stato vetroso.
La ricerca mette in discussione una visione consolidata da decenni, suggerendo che la complessa “danza delle molecole” non sia il risultato di processi distinti e indipendenti, ma l’espressione di un unico meccanismo dinamico coerente. La domanda al centro dello studio è tanto semplice quanto fondamentale: che cosa distingue un liquido che scorre da un vetro rigido e fragile? A livello intuitivo, la risposta sembrerebbe ovvia: nel liquido gli atomi si muovono liberamente, mentre nel vetro risultano sostanzialmente immobilizzati. Tuttavia, per la fisica della materia condensata, la cosiddetta transizione vetrosa rappresenta uno dei problemi ancora aperti più complessi.
Quando un liquido viene progressivamente raffreddato fino ad avvicinarsi allo stato vetroso, il tempo necessario alle molecole per riorganizzarsi aumenta in modo drastico, fino a crescere di diversi ordini di grandezza. Sorprendentemente, questo rallentamento estremo non è accompagnato da cambiamenti significativi nella struttura atomica del materiale. Come può allora un sistema acquisire rigidità senza modificare l’ordine dei suoi costituenti? Per lungo tempo la comunità scientifica ha interpretato il fenomeno come il risultato della sovrapposizione di diversi tipi di movimento. Su scale temporali lunghe domina il cosiddetto rilassamento strutturale, il processo attraverso il quale le molecole riescono a sfuggire alle “gabbie” formate dai loro vicini, consentendo al liquido di continuare a fluire. All’estremo opposto si trovano invece le rapide vibrazioni atomiche che avvengono all’interno di queste stesse gabbie.
Tra questi due regimi dinamici si colloca il rilassamento di Johari-Goldstein, identificato negli anni Settanta e rimasto per mezzo secolo uno dei principali enigmi della fisica dei vetri. Gli scienziati si sono a lungo interrogati sulla sua natura: si tratta di un processo locale e indipendente oppure di una manifestazione della stessa dinamica che governa il rilassamento strutturale? I risultati ottenuti dal gruppo di ricerca suggeriscono ora una risposta unificante. Le osservazioni sperimentali indicano infatti che i diversi movimenti molecolari non rappresentano fenomeni separati, ma aspetti differenti di un’unica dinamica che evolve nel tempo. Una conclusione che contribuisce a ridefinire la comprensione dei liquidi superraffreddati e del percorso che conduce alla formazione del vetro, offrendo nuove prospettive per uno dei più affascinanti problemi della fisica contemporanea.
“Il rilassamento di Johari-Goldstein gioca un ruolo cruciale nei vetri perché è all’origine della loro mobilità residua – dice Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova – ed è legato a proprietà importanti ma non facilmente prevedibili quali la duttilità o la resistenza alla cristallizzazione; la sua origine microscopica fino ad oggi restava poco chiara“.
Oggi, questo team internazionale di ricerca utilizzando l’ESRF ha sfruttato una tecnica d’avanguardia, l’interferometria nel dominio del tempo a raggi X, per investigare questo mistero della fisica. Lo strumento utilizzato ha permesso da un lato di osservare il movimento molecolare su scala atomica in una finestra temporale (tra i 10 nanosecondi e i 10 microsecondi) finora quasi inaccessibile e dall’altro “isolare la firma” del rilassamento di Johari-Goldstein.
“Il nostro esperimento fornisce informazioni sul rilassamento di Johari-Goldstein nello spazio reciproco e queste informazioni – racconta Federico Caporaletti dell’Experimental Soft Matter and Thermal Physics dell’Université libre de Bruxelles – vanno poi “trasformate” nello spazio reale. L’immagine di questo rilassamento nello spazio reale diventava sempre più nitida via via che aumentavano le informazioni a nostra disposizione nello spazio reciproco finché, ad un certo punto, abbiamo capito“.
I risultati, pubblicati su Nature Physics, ribaltano le vecchie convinzioni: il rilassamento beta non è un evento isolato e indipendente. Al contrario, è il precursore diretto del rilassamento strutturale: è il primo segnale di cedimento delle gabbie molecolari che, infine, porta alla fluidità del materiale.
Sebbene lo studio non cancelli i modelli precedenti, suggerisce che la distinzione tra i vari tipi di rilassamento sia più formale che sostanziale: a livello microscopico, la dinamica è profondamente interconnessa. “Dopo quasi dieci anni di ricerche nei nostri laboratori e presso ID18 a ESRF, abbiamo finalmente capito l’origine microscopica di alcune proprietà molto importanti dei vetri – conclude Simone Capaccioli del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa – Questi risultati potranno contribuire a progettare vetri con proprietà sempre più rispondenti alle richieste della società“.