I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno introdotto un nuovo modello fisico che prevede la dinamica dei materiali vetrosi basandosi esclusivamente sul loro grado locale di ordine strutturale atomico. Utilizzando simulazioni al computer, hanno mostrato come questa teoria migliori notevolmente la comprensione di come i liquidi vetrosi diventano più viscosi durante il raffreddamento. Questo lavoro ha molte potenziali applicazioni nella produzione, specialmente per la produzione di vetro speciale in articoli da laboratorio e dispositivi elettronici touchscreen.

Il vetro è stato prodotto dall'umanità fin dall'antichità. Però, la fisica che controlla il moto degli atomi nei materiali vetrosi è incredibilmente complessa e ancora non completamente compresa. In contrasto con la maggior parte dei solidi cristallini, in cui gli atomi si dispongono approssimativamente in grandi reticoli ripetitivi, gli occhiali sono fatti di configurazioni di atomi che non mostrano alcun ordinamento a lungo raggio. Come sa chiunque abbia visto un soffiatore di vetro, ad alte temperature, il vetro scorre come un liquido. Ciò significa che gli atomi all'interno hanno una mobilità sufficiente per scivolare l'uno sull'altro. Però, mentre il materiale si raffredda, sperimenta una "transizione vetrosa" in cui gli atomi si muovono sempre più lentamente fino a quando non vengono bloccati in uno stato disordinato di "liquido congelato". Questo è, sarebbero stati più stabili in una configurazione cristallina, ma non possono superare la barriera per arrivarci. Gli esperti descrivono spesso la dinamica del vetro come l'uso del suo "tempo di rilassamento strutturale, " che rappresenta la velocità con cui gli atomi si avvicinano allo stato stabile.

Ora, scienziati dell'Università di Tokyo hanno utilizzato simulazioni al computer per definire il "parametro dell'ordine strutturale, " che dipende solo dalla configurazione locale di un atomo e dei suoi immediati vicini. Questo valore fornisce una misura della deviazione dall'impaccamento più efficiente degli atomi circostanti. Basato solo sul parametro dell'ordine strutturale, i ricercatori sono stati in grado di prevedere il tempo di rilassamento strutturale. "Dal momento che il rilassamento è apparentemente influenzato da molti fattori fisici, siamo rimasti piacevolmente sorpresi di essere riusciti a descriverlo basandoci esclusivamente sull'ordine strutturale, " dice il primo autore Hua Tong.

Eseguendo ampie simulazioni al computer, hanno potuto confermare la relazione tra ordinamento locale e dinamica complessiva. Questa è una caratteristica unica del vetro che di solito non si vede nei solidi cristallini. "La nostra ricerca fornisce un quadro fisico per capire come la correlazione tra le posizioni cresce di dimensioni, tale che le dinamiche a livello atomico iniziano ad avere cooperatività su una regione estesa, " spiega l'autore senior Hajime Tanaka. I risultati di questo progetto possono aiutare a progettare nuovi processi per la produzione di vetro più forte e più durevole. I risultati di questo progetto possono aiutare a progettare nuovi processi per la produzione di vetro più forte e più durevole.

L'opera è pubblicata in Comunicazioni sulla natura come "Ordine strutturale come vero e proprio parametro di controllo della dinamica in semplici formatori di vetro".