La scoperta del vetro liquido fa luce sul vecchio problema scientifico della transizione vetrosa:un team interdisciplinare di ricercatori dell'Università di Costanza ha scoperto un nuovo stato della materia, vetro liquido, con elementi strutturali precedentemente sconosciuti:nuove intuizioni sulla natura del vetro e sulle sue transizioni.

Mentre il vetro è un materiale davvero onnipresente che usiamo quotidianamente, rappresenta anche un importante enigma scientifico. Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, la vera natura del vetro rimane un mistero, con l'indagine scientifica sulle sue proprietà chimiche e fisiche ancora in corso. In chimica e fisica, il termine vetro stesso è un concetto mutevole:include la sostanza che conosciamo come vetro per finestre, ma può anche riferirsi a una gamma di altri materiali con proprietà che possono essere spiegate con riferimento al comportamento simile al vetro, Compreso, ad esempio, metalli, plastica, proteine, e persino cellule biologiche.

Anche se può dare l'impressione, il vetro è tutt'altro che convenzionalmente solido. Tipicamente, quando un materiale passa da uno stato liquido a uno stato solido, le molecole si allineano per formare uno schema cristallino. in vetro, questo non accade. Anziché, le molecole sono effettivamente congelate sul posto prima che avvenga la cristallizzazione. Questo stato strano e disordinato è caratteristico degli occhiali in diversi sistemi e gli scienziati stanno ancora cercando di capire come si formi esattamente questo stato metastabile.

Un nuovo stato della materia:il vetro liquido

Ricerca guidata dai professori Andreas Zumbusch (Dipartimento di Chimica) e Matthias Fuchs (Dipartimento di Fisica), entrambi con sede presso l'Università di Costanza, ha appena aggiunto un altro livello di complessità all'enigma del vetro. Utilizzando un sistema modello che prevede sospensioni di colloidi ellissoidali su misura, i ricercatori hanno scoperto un nuovo stato della materia, vetro liquido, dove le singole particelle sono in grado di muoversi ma non di ruotare, comportamento complesso che non è stato precedentemente osservato nei vetri sfusi. I risultati sono pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Le sospensioni colloidali sono miscele o fluidi che contengono particelle solide che, a dimensioni di un micrometro (un milionesimo di metro) o più, sono più grandi di atomi o molecole e quindi si prestano bene all'indagine con la microscopia ottica. Sono popolari tra gli scienziati che studiano le transizioni vetrose perché presentano molti dei fenomeni che si verificano anche in altri materiali che formano il vetro.

Colloidi ellissoidali su misura

Ad oggi, la maggior parte degli esperimenti che coinvolgono sospensioni colloidali si sono basati su colloidi sferici. La maggior parte dei sistemi naturali e tecnici, però, sono composti da particelle non sferiche. Usando la chimica dei polimeri, il team guidato da Andreas Zumbusch ha prodotto piccole particelle di plastica, stirandoli e raffreddandoli fino a raggiungere la loro forma ellissoidale e poi ponendoli in un opportuno solvente. "A causa delle loro forme distinte, le nostre particelle hanno un orientamento, al contrario delle particelle sferiche, che dà origine a tipi di comportamenti complessi completamente nuovi e precedentemente non studiati, " spiega Zumbusch, che è un professore di chimica fisica e autore senior dello studio.

I ricercatori hanno poi continuato a modificare le concentrazioni di particelle nelle sospensioni, e monitorato sia il movimento traslazionale e rotatorio delle particelle utilizzando la microscopia confocale. Zumbosch dice, "A determinate densità di particelle il movimento orientativo si congelava mentre il movimento traslatorio persisteva, risultando in stati vetrosi in cui le particelle si raggruppavano per formare strutture locali con orientamento simile." Ciò che i ricercatori hanno chiamato vetro liquido è il risultato di questi cluster che si ostruiscono a vicenda e mediano le caratteristiche correlazioni spaziali a lungo raggio. Questi impediscono la formazione di un liquido cristallo che sarebbe lo stato della materia globalmente ordinato atteso dalla termodinamica.

Due transizioni vetrose in competizione

Ciò che i ricercatori hanno osservato erano in realtà due transizioni vetrose in competizione, una trasformazione di fase regolare e una trasformazione di fase non in equilibrio, che interagiscono tra loro. "Questo è incredibilmente interessante da un punto di vista teorico, "dice Matthias Fuchs, professore di teoria della materia condensata soffice all'Università di Costanza e l'altro autore senior dell'articolo. "I nostri esperimenti forniscono il tipo di prova dell'interazione tra le fluttuazioni critiche e l'arresto vitreo che la comunità scientifica cerca da un po' di tempo". La previsione del vetro liquido era rimasta una congettura teorica per vent'anni.

I risultati suggeriscono inoltre che dinamiche simili possono essere all'opera in altri sistemi di formazione del vetro e possono quindi aiutare a far luce sul comportamento di sistemi complessi e molecole che vanno dal molto piccolo (biologico) al molto grande (cosmologico). Ha anche un potenziale impatto sullo sviluppo di dispositivi a cristalli liquidi.