Non tutto sul vetro è chiaro. Come sono disposti e si comportano i suoi atomi, in particolare, è sorprendentemente opaco.

Il problema è che il vetro è un solido amorfo, una classe di materiali che sta nel misterioso regno tra solido e liquido. I materiali vetrosi includono anche polimeri, o plastiche di uso comune. Sebbene possa sembrare stabile e statico, gli atomi di vetro si mescolano costantemente in una frustrante futile ricerca di equilibrio. Questo comportamento sfuggente ha reso la fisica del vetro quasi impossibile da definire per i ricercatori.

Ora un team multi-istituzionale tra cui la Northwestern University, La North Dakota State University e il National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno progettato un algoritmo con l'obiettivo di dare un po' più di chiarezza ai vetri polimerici. L'algoritmo consente ai ricercatori di creare modelli a grana grossa per progettare materiali con proprietà dinamiche e prevedere i loro comportamenti in continua evoluzione. Chiamato "algoritmo di rinormalizzazione dell'energia, " è il primo a prevedere con precisione il comportamento meccanico del vetro a diverse temperature e potrebbe portare alla rapida scoperta di nuovi materiali, progettato con proprietà ottimali.

"L'attuale processo di scoperta dei materiali può richiedere decenni, ", ha detto Sinan Keten della Northwestern, che ha co-diretto la ricerca. "Il nostro approccio scala le simulazioni molecolari di circa mille volte, così possiamo progettare i materiali più velocemente ed esaminarne il comportamento."

"Anche se i materiali vetrosi sono tutt'intorno a noi, gli scienziati fanno ancora fatica a comprenderne le proprietà, come la loro fluidità e diffusione al variare della temperatura o della composizione, " disse Jack F. Douglas, un ricercatore del NIST, che ha co-diretto il lavoro con Keten. "Questa mancanza di comprensione è una grave limitazione nella progettazione razionale di nuovi materiali".

Lo studio pubblicato di recente sulla rivista Progressi scientifici . Wenjie Xia, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso la North Dakota State University, è stato il primo autore del giornale.

Lo strano comportamento di Glass deriva dal modo in cui è fatto. Inizia come una pozza calda di materiale fuso che viene poi rapidamente raffreddato. Sebbene il materiale finale voglia raggiungere l'equilibrio in uno stato raffreddato, è molto suscettibile alle variazioni di temperatura. Se il materiale viene riscaldato, le sue proprietà meccaniche possono cambiare drasticamente. Ciò rende difficile per i ricercatori prevedere in modo efficiente le proprietà meccaniche utilizzando le tecniche di simulazione molecolare esistenti.

"Semplice come sembra il vetro, è un materiale molto strano, " ha detto Keten, professore associato di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "È amorfo e non ha una struttura di equilibrio, quindi è in continua evoluzione con movimenti lenti delle sue molecole. E poi c'è molta variazione nel modo in cui si evolve a seconda della temperatura e delle caratteristiche molecolari di ciascun materiale vetroso. Questi processi richiedono molto tempo per essere elaborati nelle simulazioni molecolari. Accelerare i calcoli è possibile solo se possiamo mappare le posizioni delle molecole su modelli strutturali più semplici".

La struttura del vetro è in netto contrasto con un solido cristallino, in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato, modo prevedibile e simmetrico. "È facile mappare gli atomi nei materiali cristallini perché hanno una struttura ripetitiva, " Keten ha spiegato. "Mentre in un materiale amorfo, è difficile mappare la struttura a causa della mancanza di ordine a lungo raggio."

"Per la natura amorfa e disordinata del vetro, le sue proprietà potrebbero variare sostanzialmente con la temperatura, rendendo estremamente difficile la previsione del suo comportamento fisico, " aggiunse Xia. "Ora, abbiamo trovato un nuovo modo per risolvere questo problema."

Per affrontare questa sfida, Keten, Douglas, Xia e i suoi collaboratori hanno progettato il loro algoritmo per tenere conto dei molti modi in cui le molecole di vetro si muoverebbero o non si muoverebbero a seconda delle temperature variabili nel tempo. Calcolare la posizione di ciascun atomo all'interno del vetro sarebbe faticosamente lento e noioso, anche per un algoritmo ad alta potenza, da calcolare. Così Keten e i suoi collaboratori usarono "modelli a grana grossa, " un approccio semplificato che esamina gruppi di atomi piuttosto che singoli atomi. La loro nuova metodologia crea in modo efficiente parametri per le interazioni tra queste particelle più grossolane in modo che il modello possa catturare il drammatico rallentamento del movimento molecolare mentre il materiale vetroso si raffredda.

"Non possiamo fare una simulazione atomo per atomo anche per film di vetro di spessore su scala nanometrica perché anche quello sarebbe troppo grande, " Keten ha detto. "Sono ancora milioni di molecole. I modelli a grana grossa ci consentono di studiare sistemi più grandi paragonabili agli esperimenti fatti in laboratorio".

Finora, Keten e il suo team hanno verificato il loro algoritmo rispetto a tre tipi già ben caratterizzati e molto diversi di liquidi polimerici per la formazione del vetro. In ogni caso, l'algoritmo prevede con precisione le proprietà dinamiche note in un'ampia gamma di temperature.

"Spiegare la fisica degli occhiali è stato notoriamente uno dei maggiori problemi che gli scienziati non sono stati in grado di risolvere, "Ha detto Keten. "Ci stiamo avvicinando alla comprensione del loro comportamento e alla risoluzione del mistero".