occhiali ZIF, una nuova famiglia di vetri, potrebbe combinare la trasparenza del vetro silicato con la qualità non fragile del vetro metallico, secondo i ricercatori della Penn State e della Cambridge University nel Regno Unito.

"Siamo sicuri della trasparenza, " disse Giovanni Mauro, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State. "Dovremo aspettare fino a quando non saranno fatti campioni più grandi per sapere se ha la straordinaria duttilità del vetro metallico, ma promette bene".

La nuova classe di materiali per la formatura del vetro, strutture imidazolate zeolitiche (ZIF), ha una struttura in cui gli ioni metallici sono collegati da ligandi organici. Se riscaldato entro un intervallo limitato di temperature elevate, alcuni materiali ZIF si fondono e si riformano in una struttura vetrosa in cui gli atomi hanno una struttura disordinata. Al di là delle potenzialità di un vetro trasparente e molto più curvabile, alcuni ZIF contengono un gran numero di pori funzionali che possono essere utilizzati per lo stoccaggio del gas:sono state proposte strutture metallo-organiche come gabbie per lo stoccaggio dell'idrogeno per veicoli a celle a combustibile, catalisi, separazione del gas o addirittura somministrazione di farmaci.

"Gli ZIF sono così nuovi che le persone stanno appena scoprendo quali sostanze chimiche formano gli occhiali, " ha detto Mauro. "L'obiettivo del nostro gruppo è quello di accelerare la progettazione di questi nuovi occhiali attraverso la modellazione".

In due recenti articoli di giornale, Mauro e colleghi hanno utilizzato diversi metodi di modellazione per approfondire la comprensione e prevedere le proprietà degli occhiali ZIF. Il primo metodo di modellazione, ReaxFF, è stato sviluppato da Adri van Duin, professore di ingegneria meccanica alla Penn State, che è coautore di entrambi i documenti. ReaxFF è un metodo computazionalmente veloce ed economico per simulare la fusione e il reforming dei materiali candidati.

"È difficile simulare questi sistemi perché i modelli sono solitamente sviluppati per sistemi organici o inorganici, ma non entrambi, " disse Yongjian Yang, Studioso post-dottorato di Mauro e autore principale di entrambi gli articoli. "Più, a differenza di ReaxFF, altri modelli non consentono la rottura e la riformazione dei legami che avvengono nella formatura del vetro."

Yang ha aggiunto che l'utilizzo di ReaxFF riduce il tempo necessario per eseguire le simulazioni a poche ore anziché ai diversi giorni che sarebbero stati necessari utilizzando i metodi della meccanica quantistica.

Nel documento più recente, pubblicato in Journal of Physical Chemistry Letters , i ricercatori hanno utilizzato un altro metodo di modellazione originariamente sviluppato per un'altra classe di occhiali chiamati calcogenuri.

"James Phillips ha proposto che possiamo pensare agli occhiali nello stesso modo in cui un ingegnere civile penserebbe di progettare una struttura a traliccio come in un ponte o nella Torre Eiffel, " disse Mauro.

Filippo, che all'epoca era ai Bell Labs e ora è alla Rutgers University, ha proposto un metodo per ottimizzare il vetro basato sui gradi di libertà degli atomi rispetto al numero di legami rigidi ad altri atomi. Quando i legami eguagliano i gradi di libertà, la capacità di salire, verso il basso o lateralmente:il sistema è solitamente nello stato ottimale per formare un vetro stabile.

Mauro, che era alla Corning Incorporated, e Prabhat Gupta, dello stato dell'Ohio, ha esteso la teoria per sviluppare quella che viene chiamata Teoria dei vincoli dipendenti dalla temperatura, che rappresenta la rottura del legame ad alta temperatura, e ha anche esteso la teoria per fare previsioni quantitative delle proprietà del vetro.

"Poiché la nostra teoria si basa sul conteggio dei legami e degli atomi, è qualcosa che si risolve con carta e matita, " Disse Mauro. "Possiamo fare previsioni accurate su proprietà come la durezza del vetro, modulo elastico, viscosità e la temperatura di transizione vetrosa."

Sebbene la loro teoria, formulato nel 2008, è stato applicato con successo a molti sistemi di vetro ossido e utilizzato nella formulazione di composizioni di vetro industriale, questo documento è la prima volta che viene applicato al sistema vetro metallo-organico ZIF.

Thomas Bennett dell'Università di Cambridge sta conducendo la parte sperimentale del lavoro, compresa la sintesi di campioni ZIF, che attualmente misurano solo millimetri.

"Ci sono molte sfide che devono ancora essere affrontate, " Mauro ha detto. "Speriamo di utilizzare questi approcci di modellazione per prevedere occhiali che possiamo utilizzare per rampa su scala industriale e poi commercializzare. Non sarebbe fantastico avere un vetro che sia sia otticamente trasparente che meccanicamente duttile?"