I ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato calcoli di dinamica molecolare per simulare la capacità di formare il vetro delle miscele metalliche. Mostrano che anche piccoli cambiamenti nella composizione possono influenzare fortemente la probabilità che un materiale assuma uno stato cristallino rispetto a uno stato vetroso dopo il raffreddamento. Questo lavoro può portare a una teoria universale della formazione del vetro e più economica, più resistente, vetro elettroconduttivo.

Se hai ospiti importanti che vengono a cena, potresti apparecchiare la tua tavola con costosi bicchieri di cristallo. Agli scienziati, però, cristallo e vetro sono in realtà due stati molto diversi che un liquido potrebbe assumere una volta raffreddato. Un cristallo ha una struttura reticolare tridimensionale definita che si ripete all'infinito, mentre il vetro è un solido amorfo a cui manca l'ordinamento a lungo raggio. Le attuali teorie sulla formazione del vetro non possono prevedere con precisione quali miscele metalliche "vetrificheranno" per formare un vetro e quali si cristallizzeranno. Un migliore, una comprensione più completa della formazione del vetro sarebbe di grande aiuto quando si progettano nuove ricette per meccanicamente resistenti, materiali elettricamente conduttivi.

Ora, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno utilizzato simulazioni al computer di tre prototipi di sistemi metallici per studiare il processo di formazione del vetro. "Abbiamo scoperto che la capacità di un sistema multicomponente di formare un cristallo, al contrario di un bicchiere, può essere interrotto da lievi modifiche alla composizione, " dice il primo autore Yuan-Chao Hu.

Detto semplicemente, la formazione del vetro è la conseguenza di un materiale che evita la cristallizzazione una volta raffreddato. Questo blocca gli atomi in uno stato "congelato" prima che possano organizzarsi secondo il loro schema di minimizzazione dell'energia. Le simulazioni hanno mostrato che un fattore critico che determinava la velocità di cristallizzazione era l'energia dell'interfaccia liquido-cristallo.

I ricercatori hanno anche scoperto che i cambiamenti nella composizione degli elementi possono portare a ordinamenti atomici locali che frustrano il processo di cristallizzazione con disposizioni incompatibili con la forma abituale del cristallo. Nello specifico, queste strutture possono impedire a minuscoli cristalli di agire come "semi" che nucleano la crescita di regioni ordinate nel campione. In contrasto con le spiegazioni precedenti, gli scienziati hanno determinato che la differenza di potenziale chimico tra le fasi liquida e cristallina ha solo un piccolo effetto sulla formazione del vetro.

"Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nella nostra comprensione del meccanismo fisico fondamentale della vetrificazione, " L'autore senior Hajime Tanaka afferma. "I risultati di questo progetto possono anche aiutare i produttori di vetro a progettare nuovi sistemi multicomponente che hanno determinate proprietà desiderate, come la resilienza, tenacità ed elettroconduttività."

L'opera è pubblicata in Progressi scientifici come "Origine fisica della formazione del vetro da sistemi multicomponente".