I fisici effettuano le prime osservazioni dirette di un vetro che si rilassa in un liquido super raffreddato - Physics World

I fisici effettuano le prime osservazioni dirette di un vetro che si rilassa in un liquido super raffreddato - Physics World

Timestamp: 16 agosto 2023 12:00

Un'immagine al microscopio a forza atomica che mostra le rughe locali che si formano nello strato di vetro
Istantanea AFM che mostra la formazione e la progressione delle rughe locali indotte dalla trasformazione dello strato di vetro organico medio in un liquido super raffreddato. Per gentile concessione di: J Rodríguez-Viejo

Le prime osservazioni dirette in tempo reale di un vetro ultrastabile mentre si "rilassa" in un liquido super raffreddato hanno permesso ai ricercatori di quantificare un processo precedentemente misterioso noto come transizione vetrosa. Questa transizione svolge un ruolo cruciale in numerosi campi, tra cui la crioconservazione biomedica, la sintesi di farmaci, la produzione di dispositivi elettronici e l'ingegneria dei tessuti, per citare solo alcuni esempi. Il lavoro potrebbe anche avere implicazioni per le celle solari, che spesso hanno un rivestimento di vetro modellato.

Nonostante la natura onnipresente del vetro nella tecnologia moderna e nella nostra vita quotidiana, non lo comprendiamo appieno. Sebbene i vetri appaiano solidi, la loro struttura è altamente disordinata, quindi a volte sono considerati liquidi con viscosità estremamente elevata. Altri misteri riguardano come i liquidi si raffreddano e si trasformano in bicchieri, e viceversa quando un vetro viene riscaldato fino a fondersi. Questa transizione vetrosa è uno stato termodinamico distinto? Oppure il vetro è semplicemente un liquido che è stato sottoraffreddato, ovvero che conserva le sue proprietà liquide nonostante sia stato raffreddato al di sotto della sua temperatura di congelamento?

Simile ai solidi cristallini

Per rispondere a queste e ad altre domande senza risposta, i ricercatori del UAB (UAB), il Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie (ICN2), il Politecnico della Catalogna (UPC) e il Istituto di Microelettronica di Barcellona (IMB-CNM) ha sviluppato una tecnica di microscopia per osservare direttamente cosa accade quando un vetro organico ultrastabile viene riscaldato al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa. Questo processo di “rilassamento” lo trasforma in un liquido.

I ricercatori hanno scelto di utilizzare un vetro organico con il nome chimico N,N′-bis(3-metilfenil)-N,N′-difenilbenzidinem perché passa allo stato liquido sottoraffreddato in un modo simile a quello dei solidi cristallini. In questo tipo di transizione si formano minuscole aree di fase liquida che poi si ingrandiscono gradualmente. Ciò contrasta con i vetri convenzionali, che passano allo stato liquido in tutto il volume della loro struttura senza alcuna netta divisione tra le diverse regioni.

La formazione di liquidi si verifica su regioni locali su scala nanometrica

Il team di Barcellona aveva precedentemente osservato questo processo indirettamente utilizzando la nanocalorimetria, una tecnica che consente di misurare la capacità termica in film sottili di materiale. Nel nuovo lavoro, che è dettagliato in Fisica della natura, i ricercatori presentano un modo per osservarlo direttamente.

Per fare ciò, hanno inserito il vetro organico tra due strati di un vetro più rigido con una temperatura di fusione più elevata. Quando hanno riscaldato lo strato di vetro organico al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, lo stress meccanico nelle regioni di liquido sottoraffreddato ammorbidito ha causato la deformazione degli strati di vetro esterni grazie alla differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra gli strati vetrosi e il substrato di silicio su cui il si forma il vetro. Questa deformazione, che si presenta come protuberanze, rughe e creste di dimensioni nanometriche che diventano gradualmente più grandi, può essere osservata con un microscopio a forza atomica (AFM).

"Poiché la formazione del liquido avviene su regioni locali su scala nanometrica, anche l'ondulazione superficiale che abbiamo osservato è locale e direttamente collegata al liquido sottoraffreddato", spiegano i leader del team di studio. Javier Rodriguez-Viejo ed Cristian Rodriguez-Tinoco spiegare. “La tecnica ci consente di costruire mappe spazio-temporali della trasformazione di un vetro a pellicola sottile nel suo liquido superraffreddato misurando direttamente le distanze tra i domini liquidi che appaiono. Questo processo può essere seguito in tempo reale”.

Rodriguez-Viejo aggiunge che la transizione vetrosa che hanno osservato si è rivelata altamente eterogenea, con grandi distese tra le regioni liquide emergenti. "Ciò significa che il vetro non si trasforma immediatamente attraverso l'intero volume nel liquido sottoraffreddato, come ci si potrebbe aspettare da un vetro convenzionale raffreddato a liquido, ma si trasforma in un periodo di tempo che è un milione di volte più lento", spiega. "In effetti, il processo che abbiamo osservato imita in qualche modo un meccanismo di nucleazione e crescita come quello che si verifica durante la formazione di una fase cristallina all'interno di un vetro o la fusione di un policristallo".

Il team mira ora a studiare la transizione vetrosa su scale di lunghezza inferiore e per periodi di tempo più brevi, cosa che potrebbe richiedere ai membri di sviluppare nuove procedure e protocolli AFM. A lungo termine, Rodriguez-Tinoco afferma che i risultati dello studio potrebbero aiutare a migliorare i metodi industriali di modellazione del vetro, che vengono utilizzati per realizzare rivestimenti ottici e per controllare l'irruvidimento della superficie in modo da migliorare l'emissione di luce nelle celle solari organiche.

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