Se il vetro non è un solido o un liquido, che cos'è? Foto dell'utente di Flickr -Kenzie-
Un bicchiere di merlot può rendere il mondo roseo, ma può anche essere fonte di frustrazione per un fisico. Il vino si riversa, schizza e turbina, ma il bicchiere rimane rigido come una nave solida. Ingrandisci il merlot e vedrai le molecole tenute vicine ma che si muovono senza una posizione fissa. Ingrandisci il bicchiere di vino e vedrai anche questa disposizione disordinata, ma nessun movimento.
A livello atomico, le due forme della materia sembrano uguali. Anche se un vetro è congelato solido, manca la rigida struttura cristallina che si trova nei cubetti di ghiaccio.
Gli scienziati che studiano il vetro hanno osservato versioni distorte di icosaedri (icosaedro a sinistra, versione distorta a destra). Immagine via Science / Chen e Kotani
Sebbene gli artigiani producano il vetro da millenni e gli scienziati abbiano studiato la sua struttura per decenni, fino ad ora non ci sono state prove sperimentali chiare per confermare ciò che impedisce ai liquidi che formano i vetri di cristallizzarsi. In un nuovo articolo pubblicato online su Science, un team di ricercatori giapponesi ha utilizzato un microscopio a diffrazione elettronica ad alta potenza per vedere il vetro alle scale più piccole ancora. Ad una risoluzione così elevata hanno visto quella che sembra essere un'unità base di alcuni atomi di occhiali confezionati in una versione distorta di un icosaedro, una forma tridimensionale con 20 facce.
Con sofisticati strumenti geometrici, il team ha caratterizzato tali distorsioni, riportando nel documento che consentono al sistema di "conservare un denso impaccamento atomico e uno stato a bassa energia". Alcuni arrangiamenti di atomi, concludono i ricercatori, sono l'essenza stessa della vetrosità perché interferire con lo sviluppo di un cristallo ben organizzato.
Viste multiple di immagini microscopiche di atomi all'interno del vetro (a destra) hanno permesso ai ricercatori di rappresentare il livello di distorsione degli icosaedri specifici che hanno organizzato gli atomi (a sinistra). Immagine via Science / Chen e Kotani
Sebbene i ricercatori stessero studiando un bicchiere fatto di zirconio e platino, non il tuo vetro normale, i risultati potrebbero valere per gli occhiali in modo più ampio. Comprendendo il modo in cui gli atomi si organizzano, gli scienziati dei materiali possono trovare il modo di creare nuovi occhiali e manipolare quelli che hanno.
Ma il vetro è tutt'altro che immaginato. Mentre lo studio spiega perché alcuni liquidi formano i bicchieri invece di cristallizzare, non spiega perché questi liquidi possano diventare abbastanza pigri da essere solidi, afferma il chimico della Duke University Patrick Charbonneau. Una vasta comunità di scienziati ha tentato di risolvere la lentezza dagli anni '80 , ma non riescono a concordare la soluzione e discutono persino dell'approccio migliore.
Una strategia popolare fa un passo indietro per cercare di capire come gli atomi riempiono un determinato spazio. Tratta gli atomi in vetro come sfere dure raggruppate insieme. Semplice vero? "Non esiste una meccanica quantistica, non esiste una teoria delle stringhe, non è necessario invocare lo spazio esterno", afferma Charbonneau. Eppure anche studiare il vetro in questo modo si è rivelato incredibilmente difficile a causa delle complicazioni che derivano dal capire quali posizioni potrebbero occupare così tante particelle. Oltre alla sfida intrinseca di descrivere la disposizione delle sfere, l'approccio è una semplificazione e non è chiaro quanto sia rilevante per gli occhiali del mondo reale.
Tuttavia, Charbonneau sembra eccitato quando parla di tali problemi di ricerca. Il suo bicchiere di merlot è mezzo pieno, perché crede che gli ultimi anni abbiano portato enormi progressi. Gli scienziati, dice, sono diventati più creativi nel porre domande sul vetro. La stessa ricerca di Charbonneau simula il vetro di dimensioni superiori, scoperte che potrebbero avere importanti implicazioni per il grado di disturbo nel vetro tridimensionale. Altri ricercatori stanno prendendo in considerazione cosa accadrebbe se immobilizzassi alcune particelle in un liquido raffreddato, sperando di illuminare il modo in cui tali liquidi raggiungono uno stato vetroso. Ancora di più stanno considerando gli atomi nel vetro come entità che possono muoversi da sole, un po 'come le cellule biologiche. Tutti questi sforzi stanno provando a determinare i tipi di interazioni che contribuiscono alla formazione del vetro, in modo che gli scienziati riconoscano una teoria della lentezza davvero buona quando lo vedono.
Nonostante tutto questo parlare di movimento, non aspettarti che il tuo bicchiere di vino scorra in modo visibile in qualsiasi momento presto. Questo bicchiere "durerà più a lungo della scala temporale dell'universo", afferma Charbonneau. Sostiene che il vetro colorato nelle cattedrali medievali è più spesso nella parte inferiore perché i flussi di vetro sono a castello. Ma esattamente perché non scorre rimane ancora un mistero.
