A meno che tu non sia uno scienziato dei materiali, che la maggior parte di noi dopotutto non è, il termine "occhiali" probabilmente fa venire in mente cose come i vetri delle finestre, bicchieri o occhiali da vista. Quasi nessuno penserà ai metalli. Ma gli occhiali metallici, o "metalli amorfi" come sono anche conosciuti, svolgono un ruolo sempre più importante sia nella ricerca scientifica che nella tecnologia.

Quando i metalli fusi vengono raffreddati così rapidamente da solidificare in una frazione di secondo, rimangono caotici e disordinati a livello atomico. Se fossero stati raffreddati lentamente, gli atomi avrebbero avuto il tempo di riorganizzarsi e di formare una struttura reticolare ordinata, ma un raffreddamento molto rapido significa che gli atomi nel liquido fuso disordinato non hanno tempo sufficiente per riorganizzarsi e sono essenzialmente congelati in posizione. Questo disordine atomico conferisce a questi vetri metallici "non in equilibrio" proprietà che sono molto diverse da quelle della lega cristallina ordinata che si formerebbe quando gli stessi costituenti subissero un raffreddamento più lento e convenzionale. I vetri metallici possono essere resistenti come l'acciaio pur avendo l'elasticità di un polimero.

La maggior parte dei materiali nell'universo sono amorfi, il che significa che sono caotici e disorganizzati e mancano dell'ordine a lungo raggio che si trova nei solidi cristallini. Anche l'acqua, che nel suo stato congelato ha una struttura cristallina regolare qui sulla Terra, è vetroso o amorfo nell'universo più ampio, come l'acqua che si trova nelle comete a temperature inferiori a -150 °C. Dal punto di vista scientifico, il passaggio dallo stato liquido allo stato solido amorfo è di fondamentale interesse.

"Cosa succede esattamente durante la vetrificazione non è ancora ben compreso, " dice Isabella Gallino. Lavorando con i colleghi dalla Spagna (Dott. Daniele Cangialosi, Dott. Xavier Monnier), Francia (Dott.ssa Beatrice Ruta) e Germania (Prof. Ralf Busch, anche dalla Saarland University), Il Dr. Gallino ha studiato con dettagli senza precedenti cosa succede a livello atomico quando una lega liquida metastabile vetrifica per formare un vetro solido.

Utilizzando fasci di raggi X estremamente luminosi e coerenti generati presso l'European Synchrotron Research Facility di Grenoble, Gallino e i suoi colleghi hanno studiato i riarrangiamenti atomici che si verificano in una speciale lega d'oro mentre veniva raffreddata da circa 150 °C (stato liquido) a circa 115 °C (congelato, stato vetroso). Utilizzando questa tecnica, il team di ricerca è stato in grado di osservare come il movimento degli atomi è diminuito quando il materiale si è congelato. Anche il processo di congelamento stesso è stato studiato utilizzando un nuovo calorimetro flash, un calorimetro a scansione rapida che consente di raggiungere velocità di riscaldamento e raffreddamento estremamente elevate. In precedenza, nessuno era stato in grado di osservare ciò che stava accadendo nel campo di vetrificazione con questo livello di precisione.

"Fino ad ora, nessuno era riuscito a fare queste osservazioni su una gamma così ampia di velocità di riscaldamento e raffreddamento, " spiega Isabella Gallino, che sta attualmente lavorando alla sua abilitazione, un titolo di ricerca avanzata che autorizza il titolare ad insegnare a livello di cattedra in Germania. Dieci anni fa, studi di questo tipo non erano semplicemente fattibili per ragioni tecniche. A quel tempo, gli scienziati non avevano la possibilità di sottoporre questi materiali a raggi X di sincrotrone estremamente luminosi, né avevano accesso ai calorimetri a scansione rapida che consentono di registrare le transizioni di fase e altre trasformazioni a velocità di temperatura fino a 100, 000 gradi al secondo. Oggi, entrambe queste opzioni sono disponibili e Isabella Gallino ei suoi colleghi ne hanno fatto buon uso.

Nel loro documento di ricerca pubblicato nel rispettato, rivista peer-reviewed Progressi scientifici , il team ha mostrato che i loro risultati hanno messo in discussione un paradigma precedentemente accettato di ricerca scientifica dei materiali. "Fino ad ora, la saggezza convenzionale ha ritenuto che la velocità con cui il liquido si congela è la stessa della cosiddetta velocità di rilassamento alfa, cioè la velocità con cui la mobilità primaria degli atomi diminuisce al diminuire della temperatura, " spiega il dottor Gallino. "Ma questa correlazione uno a uno non è ciò che osserviamo effettivamente".

"Questo perché il fuso comprende atomi di vario tipo e di dimensioni molto diverse. Quando gli atomi grandi, come l'oro, si sono già congelati e sono essenzialmente immobili, gli atomi più piccoli, come il silicio, possono ancora muoversi e "jogging" nelle loro posizioni energeticamente preferite, " dice Isabella Gallino. A causa di questo flusso collettivo degli atomi di dimensioni più piccole, c'è ancora mobilità globale all'interno del materiale, che continua a comportarsi come un liquido. È solo quando gli atomi più piccoli finalmente si congelano, che il liquido si solidifichi completamente in un bicchiere.

Questa nuova fondamentale scoperta di Isabella Gallino e dei suoi colleghi di ricerca ha implicazioni per la ricerca globale condotta sui metalli amorfi e altri materiali che formano il vetro come polimeri e liquidi ionici. Una migliore comprensione del processo di vetrificazione non solo faciliterà la creazione di nuovi materiali specializzati in futuro, ma ci darà una visione più ampia del comportamento dei materiali amorfi esistenti.