Le sostanze vetrose sono ovunque, tuttavia questo stato della materia non è completamente compreso. L'immagine di base è abbastanza chiara:i vetri sono solidi privi della regolare struttura atomica di un cristallo. Come e perché si formano, però, sono domande che hanno tenuto impegnati i fisici per decenni. Ora, la ricerca dal Giappone ha dimostrato che la formazione del vetro può essere compresa se la struttura liquida è adeguatamente descritta.

In Revisione fisica X , i ricercatori dell'Istituto di scienze industriali (IIS) dell'Università di Tokyo forniscono uno studio dettagliato dei cambiamenti strutturali durante la transizione vetrosa. In un insieme ben progettato di simulazioni di dinamica molecolare, miravano a risolvere se il processo è fondamentalmente termodinamico (dipendente da una qualche forma di ordine statico) o dinamico (guidato da moti atomici casuali).

Il team ha simulato liquidi super raffreddati vicino al punto di transizione, la temperatura alla quale si ferma la diffusione delle particelle e appare un solido amorfo. Lo scopo era quello di trovare un collegamento tra i modelli strutturali e il rallentamento del movimento atomico, cioè., se gli atomi nelle strutture emergenti sono meno mobili che nelle regioni disordinate. Se esiste, questa correlazione struttura-dinamica verificherebbe che la termodinamica controlla la formazione dei vetri, proprio come per i cristalli. Sarebbe un passo importante verso una teoria universale. Però, poiché gli occhiali sono apparentemente disordinati a lungo raggio, l'importanza dell'ordine locale è sfuggente.

In ogni simulazione, il team ha quantificato quanto bene gli atomi si sono impacchettati nel liquido di raffreddamento misurando un parametro di ordine strutturale. Come spiega l'autore dello studio Hua Tong, "Siamo stati attenti a definire l'ordine come qualsiasi imballaggio locale che fosse stericamente favorito, non solo imballaggio cristallino. Quando gli atomi sono stati classificati con questo criterio e poi quantificati dai loro ambienti, noto come grana grossa, è emersa una chiara correlazione tra ordine strutturale e dinamica." In altre parole:atomi più ordinati erano infatti meno mobili.

La formazione del vetro avviene in due tempi:un lento processo alfa (α) e un veloce processo beta (β). Il legame tra queste modalità è, come molto altro nella teoria del vetro, avvolto nel mistero. Il team di IIS ha scoperto che la correlazione struttura-dinamica era più forte quando veniva utilizzata una lunghezza specifica per la grana grossa. Questa lunghezza, che aumenta man mano che il liquido si raffredda, corrisponde perfettamente alla lunghezza caratteristica dell'eterogeneità dinamica che massimizza nella scala temporale α. Nel frattempo, la dimensione degli atomi stessi è legata alla modalità β veloce. Perciò, ogni liquido vetrificante dipende da questa coppia di intrinseche, lunghezze caratteristiche.

"La scoperta di queste scale di lunghezza risolve due problemi contemporaneamente, " dice l'autore Hajime Tanaka. "In primo luogo, utilizzando statistiche affidabili, mostriamo che la formazione del vetro è realmente termodinamica. Nonostante la loro apparente casualità, i liquidi vetrosi mostrano un ordine sottile, sebbene meno direzionale che nei cristalli. Secondo, i modi α e β hanno un'origine strutturale comune, anche se seguono scale di lunghezza differenti. Ciò rivela un legame intrinseco tra queste due importanti modalità dinamiche. Ora, la domanda è se il collegamento struttura-dinamica è più di una semplice correlazione. In futuro speriamo di trovare una causalità diretta".

L'articolo, "Rivelando l'ordine strutturale nascosto che controlla sia la dinamica vetrosa veloce che quella lenta nei liquidi superraffreddati, " è stato pubblicato in Revisione fisica X su doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041