Un vetro è un materiale curioso tra gli stati liquidi e solidi della materia, ma alla fine il vetro cede sempre alla sua solida propensione stabilendosi negli schemi ordinati di un cristallo. O così si pensava.
I ricercatori della Princeton University hanno sviluppato un modello computazionale per creare un "vetro perfetto" che non cristallizza mai, nemmeno allo zero assoluto. Pubblicato in Rapporti scientifici sulla natura , il modello è un nuovo modo di pensare il vetro e dettaglia le proprietà estremamente insolite di un vetro perfetto.
"Sappiamo che se fai qualcosa di abbastanza freddo si cristallizzerà, ma questa è una situazione estremamente esotica in cui lo eviti completamente, " ha detto l'autore corrispondente Salvatore Torquato, un professore di chimica di Princeton e il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.
Gli scienziati che fanno ricerca sul vetro sono rimasti perplessi per la sua natura per più di un secolo. La configurazione indisciplinata delle sue molecole suggerisce che dovrebbe fluire come un liquido, eppure è rigido e inflessibile come un solido. La transizione vetrosa, o la temperatura quando i liquidi raffreddati si trasformano in un bicchiere, è un altro mistero. Considerando che il passaggio da un liquido a un solido è estremamente netto, a 0 gradi Celsius in acqua per esempio, i bicchieri possono formarsi in un intervallo di temperature e solo se i liquidi sono stati raffreddati abbastanza rapidamente da evitare la cristallizzazione.
Nello sviluppo del loro modello, i ricercatori hanno deciso di determinare se potrebbe esistere un vetro che potrebbe evitare per sempre la cristallizzazione. "Il nostro modello è una possibilità fuori dagli schemi, " Disse Torquato.
Il modello nasce da due aree del gruppo di ricerca di Torquato che ben si adattavano a un modello in vetro perfetto. Il laboratorio si concentra su stati esotici iperuniformi della materia, materiali per i quali gli atomi appaiono disordinati localmente ma mostrano globalmente un ordine a lungo raggio che compare in vari contesti, compreso l'occhio di una gallina. L'altro è un imballaggio inceppato al massimo casuale, un modo di disporre le particelle in un sistema in modo che abbia un grado molto elevato di disordine e le particelle siano incastrate insieme, per sempre congelato nello spazio.
Nel modello in vetro perfetto "i cristalli sono banditi, " Disse Torquato. "Non potrebbero mai formarsi per disegno delle interazioni tra le particelle".
Per trovare questi occhiali perfetti, il modello dei ricercatori considerato 2-, 3-, e interazioni a 4 corpi, che si riferiscono alle interazioni tra il numero di particelle, considerando che i modelli precedenti consideravano solo interazioni a 2 corpi, o interazioni tra coppie di particelle. Mentre 2-, 3-, e le interazioni con 4 corpi sono più complicate e devono ancora essere viste in natura, l'espansione a queste interazioni ha permesso ai ricercatori di sopprimere la cristallizzazione dove altri avevano fallito.
Oltre alla sua caratteristica capacità di resistere alla cristallizzazione, un vetro perfetto è intriso di comprimibilità zero, il che significa che è impermeabile alle forze esterne e anche un ottimo mezzo per la propagazione del suono. Infatti, il suono sarebbe in grado di viaggiare attraverso un vetro perfetto alla velocità della luce, disse Ge Zhang, uno studente laureato nel laboratorio di Torquato e autore principale dello studio.
Il modello offre anche una soluzione a un paradosso che ha lasciato perplessi i ricercatori per decenni ed è stato definito per la prima volta a Princeton nel 1948 dal compianto professore di chimica Walter Kauzmann. Il paradosso di Kauzmann considerava la "crisi dell'entropia" causata dal superraffreddamento di un liquido che forma il vetro oltre una certa temperatura.
L'entropia è una misura del disordine, il che significa che un liquido che scorre liberamente ha più disordine, e quindi entropia, di un cristallo altamente strutturato. Ma mentre il liquido si raffredda, la differenza di entropia tra il liquido e il cristallo inizia a diminuire. Se questa tendenza si è verificata a temperature sufficientemente basse, Kauzmann ha offerto, alla fine ci sarebbe una temperatura ora nota come temperatura di Kauzmann oltre la quale l'entropia, o disordine, del cristallo diventa effettivamente maggiore di quello del liquido superraffreddato, una situazione paradossale.
Il modello in vetro perfetto, però, evita del tutto questo paradosso. Poiché il vetro non può cristallizzare, non c'è entropia cristallina con cui confrontare l'entropia liquida, e quindi nessun rischio di incorrere nella crisi dell'entropia.
Norman Mousseau, professore di fisica all'Università di Montreal, ha affermato che i ricercatori di Princeton hanno adottato un approccio atipico per rispondere a una vecchia domanda:"A basse temperature, la struttura più stabile può essere qualcosa che è un bicchiere? Può esistere nell'universo?" Sebbene il loro modello non risponda completamente a queste domande, fornisce maggiori informazioni, disse Mousseau, che ha familiarità con la ricerca ma non ha avuto alcun ruolo in essa. "Avere un nuovo modo di guardare a questo problema ci aiuta chiaramente ad andare avanti, " Egli ha detto.
Per adesso, il modello del vetro perfetto è un proof of concept teorico, anche se uno intrigante che sfida le attuali concezioni del vetro. La sua creazione effettiva è molto lontana, sebbene Torquato suggerisca che i sistemi polimerici potrebbero essere un buon posto dove cercare. Intanto, Egli ha detto, c'è ancora molto da imparare sulla teoria degli occhiali perfetti.
