Capire come fa un liquido a trasformarsi in un vetro senza modificare in modo evidente la propria struttura atomica: è questa una delle domande più affascinanti della fisica della materia e, per decenni, ha rappresentato uno dei grandi enigmi della scienza dei materiali.
Oggi, grazie a una ricerca internazionale che ha coinvolto anche il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, questo mistero è stato in parte risolto con l’utilizzo di avanzate tecniche a raggi X. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Physics.
Una nuova visione del movimento delle molecole
Lo studio, condotto da ricercatori delle Università di Bruxelles, Padova e Pisa insieme all’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, ha permesso di osservare il comportamento delle molecole in una finestra temporale finora quasi inaccessibile, compresa tra pochi nanosecondi e alcuni microsecondi.
Grazie all’impiego dell’interferometria nel dominio del tempo a raggi X, i ricercatori hanno potuto studiare uno dei fenomeni più discussi della fisica dei vetri: il cosiddetto rilassamento di Johari-Goldstein, osservato per la prima volta negli anni Settanta e considerato per lungo tempo un processo distinto dai movimenti principali del liquido.
I risultati mostrano che questo rilassamento non è un fenomeno indipendente, ma rappresenta il primo segnale del progressivo cedimento delle cosiddette “gabbie molecolari” che imprigionano gli atomi. In altre parole, i diversi movimenti osservati durante la transizione vetrosa fanno parte di un unico meccanismo dinamico coerente.
La sfida della transizione vetrosa
Quando un liquido viene raffreddato rapidamente, può evitare la cristallizzazione e trasformarsi in un vetro, uno stato della materia che presenta la rigidità di un solido ma mantiene una struttura atomica disordinata simile a quella di un liquido. Comprendere come avvenga questa trasformazione è una delle questioni fondamentali della fisica dei materiali.
La difficoltà nasce dal fatto che, avvicinandosi allo stato vetroso, le molecole rallentano drasticamente il loro movimento senza che si osservino cambiamenti significativi nell’organizzazione della materia. Per questo motivo, gli scienziati hanno a lungo cercato di identificare i meccanismi microscopici responsabili della perdita di fluidità.
Il contributo del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa
Un ruolo di primo piano nello studio è stato svolto dal Dipartimento di Fisica “E. Fermi” dell’Università di Pisa attraverso il lavoro del professor Simone Capaccioli, coautore della ricerca.
Dopo quasi dieci anni di attività sperimentali e analisi condotte nei laboratori universitari e presso la linea di luce ID18 dell’ESRF di Grenoble, il team è riuscito a chiarire l’origine microscopica di alcune delle proprietà più importanti dei materiali vetrosi.
Il contributo della ricerca pisana si inserisce nelle attività della fisica della materia, uno degli ambiti di eccellenza del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, che studia le proprietà dei materiali complessi attraverso un approccio che integra teoria, simulazioni ed esperimenti avanzati.
Implicazioni per la scienza dei materiali
Comprendere il comportamento microscopico dei vetri non è soltanto una questione teorica. Le proprietà di questi materiali influenzano infatti numerose applicazioni tecnologiche, dalla produzione di vetri ad alte prestazioni ai materiali utilizzati nell’elettronica, nell’ottica e nell’industria avanzata.
Secondo i ricercatori, la nuova interpretazione dei processi che portano alla formazione dello stato vetroso potrà contribuire allo sviluppo di materiali con caratteristiche sempre più controllabili, come maggiore resistenza, migliore duttilità e maggiore stabilità nel tempo.
La ricerca rappresenta un importante passo avanti nella comprensione della materia disordinata e dimostra come le tecnologie basate sui raggi X di ultima generazione possano offrire nuove chiavi di lettura per fenomeni studiati da decenni.
Per il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, questo risultato conferma il ruolo di primo piano svolto nella ricerca internazionale sulla fisica della materia e nello studio dei sistemi complessi, contribuendo a risolvere uno dei problemi più affascinanti della fisica contemporanea.