Cinque misteri vitrei che ancora non riusciamo a spiegare: dai vetri metallici agli analoghi inaspettati

Il mito che scorre

Guarda attraverso le vetrate di qualsiasi chiesa medievale e quasi sicuramente vedrai una vista distorta. L'effetto ha portato a lungo scienziati e non scienziati a sospettare che, dato un tempo sufficiente, il vetro scorre come un liquido eccezionalmente viscoso. Ma c'è qualche validità in questa affermazione?

La domanda non è così semplice come potrebbe sembrare a prima vista. In verità, nessuno può dire con precisione quando un liquido smette di essere un liquido e inizia a essere un bicchiere. Convenzionalmente, i fisici affermano che un liquido è diventato un vetro quando il rilassamento atomico – il tempo impiegato da un atomo o una molecola per spostare una parte significativa del suo diametro – è superiore a 100 secondi. Questo tasso di rilassamento è di circa 10¹⁰ volte più lento che nel miele che cola e 10¹⁴ volte più lento che in acqua. Ma la scelta di questa soglia è arbitraria: non riflette alcun cambiamento netto nella fisica fondamentale.

Anche così, un rilassamento di 100 secondi è definitivo per tutti gli scopi umani. A questo ritmo, un pezzo di comune vetro soda-calcico impiegherebbe eoni per fluire lentamente e trasformarsi nel biossido di silicio cristallino più energeticamente favorevole, altrimenti noto come quarzo. Se il vetro colorato nelle chiese medievali è deformato, quindi, è più probabile il risultato della scarsa tecnica del vetraio originale (secondo gli standard moderni). D'altra parte, nessuno ha eseguito un esperimento millenario per verificare.

Alla ricerca del vetro “ideale”.

Quando un liquido si raffredda, può indurirsi in un bicchiere o cristallizzare. Tuttavia, la temperatura alla quale un liquido passa a un bicchiere non è fissa. Se un liquido può essere raffreddato così lentamente da non formare un cristallo, alla fine il liquido passerà a un bicchiere a una temperatura più bassa e, di conseguenza, ne formerà uno più denso. Il Il chimico statunitense Walter Kauzmann notò questo fatto alla fine degli anni '1940 e lo usò per prevedere la temperatura alla quale si sarebbe formato un bicchiere se un liquido fosse stato raffreddato "in equilibrio", cioè infinitamente lentamente. Il risultante "vetro ideale" avrebbe, paradossalmente, la stessa entropia di un cristallo, nonostante sia ancora amorfo o disordinato. In sostanza, un bicchiere ideale è il luogo in cui le molecole sono ammassate insieme nella disposizione casuale più densa possibile.

Nel 2014 i fisici tra cui Giorgio Parisi dell'Università La Sapienza di Roma in Italia (che ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica 2021, per il suo lavoro su "l'interazione tra disordine e fluttuazioni nei sistemi fisici") ha elaborato un diagramma di fase esatto per la formazione di un vetro ideale, nel limite (matematicamente più facile) di infinite dimensioni spaziali. Di solito, la densità può essere un parametro d'ordine per distinguere diversi stati, ma nel caso del vetro e di un liquido, la densità è più o meno la stessa. Invece, i ricercatori hanno dovuto ricorrere a una funzione di "sovrapposizione", che descrive la somiglianza nelle posizioni di molecole in diverse possibili configurazioni amorfe, alla stessa temperatura. Hanno scoperto che quando la temperatura è inferiore alla temperatura di Kauzmann, il sistema tende a cadere in uno stato distinto con un'elevata sovrapposizione: una fase vetrosa.

In tre dimensioni, o addirittura in qualsiasi piccolo numero finito di dimensioni, la teoria della transizione vetrosa è meno certa. Alcuni teorici hanno tentato di descriverlo termodinamicamente, usando ancora il concetto di vetro ideale. Altri ritengono che sia un processo "dinamico" in cui, a temperature progressivamente più basse, sempre più sacche di molecole si arrestano, fino a quando l'intera massa diventa più vetro che no. Per molto tempo, i fautori dei due campi sono stati ai ferri corti. Negli ultimi due anni, tuttavia, teorico della materia condensata Paddy Royal a ESPCI Parigi in Francia e colleghi affermano di aver mostrato come i due approcci possano essere ampiamente conciliati (J. Chem. Fis. 153 090901). "Gran parte della resistenza [all'accordo] che abbiamo visto 20 anni fa è andata perduta", afferma.

Due vie per un bicchiere migliore

Per modificare le proprietà del vetro, hai due opzioni di base: modificarne la composizione o modificare il modo in cui viene lavorato. Ad esempio, l'uso del borosilicato anziché della comune soda e calce rende il vetro meno soggetto a sollecitazioni quando viene riscaldato, motivo per cui il vetro borosilicato viene spesso utilizzato al posto della pura calce sodata per i prodotti da forno. Per rendere il vetro ancora più robusto, la sua superficie esterna può essere raffreddata più rapidamente della sua massa in un processo di "tempera", come nel Pyrex originale di Corning.

Un'altra delle innovazioni di Corning, Gorilla Glass per smartphone, ha una ricetta più complicata di composizione e lavorazione per ottenere le sue proprietà forti e resistenti ai graffi. Un materiale alcalino-alluminosilicato nel cuore, viene prodotto in una lastra a mezz'aria in uno speciale processo di "trafilatura per fusione" a tempra rapida, prima di essere immerso in una soluzione di sale fuso per un ulteriore rafforzamento chimico.

In genere, più un bicchiere è denso, più è forte. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno scoperto che un vetro molto denso può essere creato mediante deposizione fisica da vapore, in cui un materiale vaporizzato viene condensato su una superficie nel vuoto. Il processo consente alle molecole di trovare il loro imballaggio più efficiente una alla volta, come un gioco di Tetris.

Padroneggiare il metallico

in 1960 Pol Duwez, un fisico belga della materia condensata che lavora al Caltech in California, negli Stati Uniti, stava rapidamente raffreddando i metalli fusi tra una coppia di rulli raffreddati - una tecnica nota come splat quenching - quando ha scoperto che i metalli solidificati erano diventati vetrosi. Da allora, i vetri metallici hanno affascinato gli scienziati dei materiali, in parte perché sono così difficili da realizzare e in parte per le loro proprietà insolite.

Senza i bordi di grano inerenti ai normali metalli cristallini, i vetri metallici non si usurano facilmente, motivo per cui la NASA li ha testati per l'uso in riduttori privi di lubrificanti, visti qui, nei suoi robot spaziali. Questi occhiali resistono anche all'assorbimento dell'energia cinetica: ad esempio, una palla fatta con questo materiale rimbalzerà per un tempo stranamente lungo. I vetri metallici hanno anche eccellenti proprietà magnetiche morbide, che li rendono attraenti per trasformatori ad alta efficienza e possono essere fabbricati in forme complesse, come la plastica.

Molti metalli diventeranno vetrosi (se lo fanno affatto) a velocità di raffreddamento incredibilmente veloci - miliardi di gradi al secondo o più. Per questo motivo, i ricercatori di solito cercano leghe che passano più facilmente, in genere per tentativi ed errori. Negli ultimi anni, però, Ken Kelton alla Washington University di St Louis, US e colleghi hanno suggerito che è possibile prevedere la probabile temperatura di transizione vetrosa misurando la viscosità di taglio e l'espansione termica di un metallo liquido (Atto Madre. 172 1). Kelton e il suo team hanno gestito a progetto di ricerca sulla Stazione Spaziale Internazionale, per studiare la temperatura alla quale un metallo diventa effettivamente vetroso e abbiamo scoperto che il processo di transizione inizia mentre il metallo è ancora un liquido. Misurando la viscosità del liquido, i ricercatori possono ora determinare se si formerà un vetro e quali saranno alcune delle sue proprietà. Se la previsione dovesse diventare un luogo comune, lo potrebbero anche fare gli occhiali metallici nei dispositivi commerciali. La società tecnologica statunitense Apple, infatti, detiene da tempo un brevetto per l'utilizzo del vetro metallico sulle cover degli smartphone, ma non lo ha mai messo in pratica, forse per la difficoltà di reperire un vetro metallico che sia economicamente valido.

Il futuro dei materiali a cambiamento di fase

Le proprietà meccaniche di vetri e cristalli possono essere diverse, ma di solito le loro proprietà ottiche ed elettroniche sono abbastanza simili. Ad un occhio inesperto, ad esempio, il normale vetro al biossido di silicio sembra quasi uguale al quarzo, la sua controparte cristallina. Ma alcuni materiali, in particolare i calcogenuri, che includono elementi del gruppo dell'ossigeno della tavola periodica, hanno proprietà ottiche ed elettroniche marcatamente diverse nei loro stati vetrosi e cristallini. Se questi materiali sono anche "cattivi" formatori di vetro (cioè cristallizzano se riscaldati moderatamente), allora servono come cosiddetti materiali a cambiamento di fase.

La maggior parte di noi prima o poi avrà gestito materiali a cambiamento di fase: sono il supporto di memorizzazione dei dati di DVD riscrivibili e altri dischi ottici. Inserisci uno di questi in un'unità adatta e un laser può commutare qualsiasi bit sul disco tra lo stato vetroso e cristallino, che rappresenta uno zero binario o uno. Oggi i dischi ottici sono stati ampiamente soppiantati dalle memorie elettroniche “flash”, che hanno una maggiore densità di memoria e nessuna parte mobile. Il vetro calcogenuro è talvolta utilizzato anche nei circuiti ottici integrati fotonici, come illustrato qui. I materiali a cambiamento di fase hanno continuato a trovare applicazioni nell'archiviazione dei dati da parte del La società tecnologica statunitense Intel e la sua "Optane" marca di memoria, di accesso rapido ma non volatile (non viene cancellata allo spegnimento). Questa applicazione rimane comunque di nicchia.

Più redditizio, dice il teorico dello stato solido Matthias Wuttig dell'Università RWTH di Aquisgrana, Germania, è chiedere da dove viene la proprietà di cambio di fase. Quattro anni fa, lui e altri hanno proposto un nuovo tipo di legame chimico, il legame "metavalente", per spiegarne l'origine. Secondo Wuttig, il legame metavalente fornisce una delocalizzazione elettronica, come nel legame metallico, ma con un carattere aggiuntivo di condivisione di elettroni, come nel legame covalente. Proprietà uniche, incluso cambio di fase, risultato (Adv. Madre. 30 1803777). Non tutti sul campo vogliono aggiungere un nuovo tipo di legame ai libri di testo, ma Wuttig crede che la prova sarà nel budino. "La domanda ora è se [il legame metavalente] abbia un potere predittivo", afferma. "E siamo convinti di sì."

Vetro dove meno te lo aspetti

I fan dei festival musicali riconosceranno il fenomeno: stai pian piano cercando di lasciare una performance insieme a migliaia di altre persone, quando all'improvviso la folla si ferma e non puoi più muoverti. Come una molecola che raffredda la silice fusa, il tuo movimento viene improvvisamente arrestato: tu e i tuoi compagni di festival vi siete trasformati in un bicchiere. O almeno un analogo di vetro.

Altri analoghi del vetro includono colonie di formiche, cellule biologiche intrappolate tra i vetrini e colloidi, come la schiuma da barba (vedi immagine sopra). I colloidi in particolare, con particelle di dimensioni fino a micron, sono sistemi convenienti per testare le teorie della transizione vetrosa, poiché la loro dinamica può essere effettivamente vista attraverso un microscopio. Ancora più sorprendente, tuttavia, è l'inizio del comportamento del vetro in alcuni algoritmi informatici. Ad esempio, se un algoritmo è progettato per cercare soluzioni progressivamente migliori a un problema con un gran numero di variabili, può essere sopraffatto dalla complessità e fermarsi prima che venga trovata la soluzione ottimale. Prendendo in prestito metodi statistici progettati per lo studio fondamentale degli occhiali, tuttavia, è possibile migliorare tali algoritmi e trovare soluzioni migliori.