I segreti microscopici della materia si svelano grazie a una collaborazione scientifica internazionale che parla toscano. Uno studio condotto al centro di ricerca European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble ha ridefinito le conoscenze sulla transizione dei liquidi verso lo stato vetroso. La ricerca, che ha visto il coinvolgimento diretto del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa insieme agli atenei di Padova e Bruxelles, è stata pubblicata sulla rivista Nature Physics con il titolo Crossover of quasi-localized dynamics and diffusion in supercooled liquids.
Al centro dell’indagine c’è il passaggio di stato che trasforma un fluido in un vetro, un fenomeno visivamente semplice ma considerato uno dei dilemmi più intricati della fisica della materia. Quando un liquido viene raffreddato per diventare vetro, le molecole impiegano tempi infinitamente più lunghi per riorganizzarsi, eppure la loro disposizione interna rimane quasi identica. Per lungo tempo la comunità scientifica ha spiegato questo indurimento ipotizzando la coesistenza di movimenti separati: da una parte le oscillazioni rapidissime degli atomi bloccati all’interno di ‘gabbie’ formate dalle particelle vicine; dall’altra il rilassamento strutturale, ossia il processo più lento che permette alle molecole di evadere da queste barriere, consentendo al liquido di scorrere.
Tra queste due dinamiche si colloca il rilassamento di Johari-Goldstein, un fenomeno individuato negli anni Settanta la cui origine microscopica è rimasta incerta per mezzo secolo. Gli esperti si sono interrogati a lungo sulla sua natura, divisi tra chi lo considerava un movimento locale autonomo e chi lo riteneva legato al flusso principale del fluido.
“Il rilassamento di Johari-Goldstein gioca un ruolo cruciale nei vetri perché è all’origine della loro mobilità residua 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” spiega Giulio Monaco, docente del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova.
Per risolvere l’enigma, il gruppo di lavoro ha impiegato l’interferometria nel dominio del tempo a raggi X, un sistema d’indagine avanzato che ha permesso di monitorare gli spostamenti molecolari su scala atomica in un intervallo temporale compreso tra 10 nanosecondi e 10 microsecondi, una frazione finora quasi impossibile da esplorare.
“Il nostro esperimento fornisce informazioni sul rilassamento di Johari-Goldstein nello spazio reciproco e queste informazioni vanno poi ‘trasformate’ nello spazio reale” chiarisce Federico Caporaletti, ricercatore presso l’Université libre de Bruxelles. “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”.
Le analisi hanno smentito i vecchi modelli: il rilassamento di Johari-Goldstein non è un fenomeno autonomo, bensì il precursore del rilassamento strutturale. Si tratta del primo momento in cui le barriere molecolari cedono, avviando il processo che porta alla fluidità del materiale. Lo studio dimostra che a livello microscopico le diverse dinamiche sono interconnesse tra loro, superando le rigide distinzioni teoriche del passato.
“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” commenta Simone Capaccioli, esponente del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa. “Questi risultati potranno contribuire a progettare vetri con proprietà sempre più rispondenti alle richieste della società”.
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