Il potenziale di una tecnica di spettroscopia a raggi X per far luce sui misteriosi fenomeni che si verificano quando un liquido si avvicina a uno stato simile al vetro è stato dimostrato da quattro fisici RIKEN.

Al raffreddamento, molti liquidi subiscono un brusco cambiamento nei loro punti di congelamento, schiantarsi in solidi cristallini. L'esempio più famoso è l'acqua, con un punto di congelamento di 0 gradi Celsius.

In contrasto, molti polimeri liquidi e altri materiali passano attraverso una transizione più aggraziata nota come transizione vetrosa. I solidi che formano hanno strutture più vicine all'ordine casuale di un liquido rispetto alla struttura ordinata dei solidi cristallini come ghiaccio e metalli. Il vetro è un classico esempio:è un solido a temperatura ambiente ma le sue molecole sono disposte in maniera disordinata.

Ci sono molte domande senza risposta sulla transizione vetrosa. "Il fenomeno della transizione vetrosa è uno dei più grandi misteri della fisica della materia soffice, " osserva Taiki Hoshino del RIKEN SPring-8 Center. "Alcuni scienziati si chiedono persino se la transizione vetrosa sia davvero una transizione o se lo somigli solo."

Una chiave che può aiutare a svelare i misteri sulla transizione vetrosa è il concetto di eterogeneità dinamica:fluttuazioni nello spazio e nel tempo nel comportamento dinamico locale delle molecole. "Molti ricercatori ritengono che la transizione vetrosa possa essere spiegata in termini di eterogeneità dinamica, "dice Hoshino.

Ora, Hoshino e tre colleghi del RIKEN SPring-8 Center hanno utilizzato i raggi X generati dal sincrotrone per misurare l'eterogeneità dinamica in un polimero liquido vicino alla sua temperatura di transizione vetrosa.

Durante le misurazioni, il polimero è stato schiacciato tra un'asta cilindrica stazionaria e un substrato in movimento. Il liquido più vicino al substrato si è mosso più velocemente del liquido vicino all'asta, determinando un gradiente di velocità attraverso il liquido. Il team ha scoperto che l'eterogeneità dinamica diminuiva all'aumentare del gradiente di velocità. Ciò ha confermato le previsioni di una simulazione di dinamica molecolare pubblicata più di 20 anni fa.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione di fotoni a raggi X (XPCS). Poiché le onde luminose che compongono un raggio laser raggiungono tutte le punte e le depressioni in sincronia l'una con l'altra, la luce laser diffusa da un oggetto genera un motivo a puntini su uno schermo. XPCS utilizza il modello di macchiolina generato dai raggi X per ottenere informazioni su un campione. "Se gli scatterer nel campione si muovono, il modello di dispersione cambia, " spiega Hoshino. "Queste fluttuazioni rivelano informazioni sul movimento dei dispersori".

Hoshino nota che XPCS non ha goduto di tanta popolarità tra i fisici della materia soffice come altre tecniche, ma spera che questo studio convinca gli altri del suo potenziale. "I nostri risultati mostrano che XPCS è una tecnica potente per studiare la transizione vetrosa, " lui dice.