Gli occhiali no, forse sorprendentemente, tecnicamente solido in forma cristallizzata, ma sono sostanze congelate in una struttura simile a un liquido. Rimangono molte domande fondamentali su come si formano esattamente gli occhiali, passaggio dal liquido che scorre al vetro solido. Un fattore centrale che gli scienziati dei materiali studiano quando esplorano i fenomeni sul vetro, come la sua formazione, è la temperatura in cui ciò si verifica, la temperatura di transizione vetrosa.

Una collaborazione internazionale di fisici computazionali e chimici ha gettato nuova luce su come la struttura polimerica incida su questa temperatura nella formatura del vetro nel polistirene atattico (PS), una sostanza di vetro comunemente usata. Il loro lavoro è riportato questa settimana nel Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing.

Alexey Lyulin, fisico alla Technische Universiteit Eindhoven nei Paesi Bassi e membro della facoltà in visita alla Stanford University, ha condotto il lavoro conducendo simulazioni elaborate da supercomputer.

"La transizione vetrosa è in realtà un fenomeno misterioso, " ha detto Lyulin. "Non è ancora capito completamente, anche per liquidi molto semplici."

e polimeri, Lyulin aggiunge, non sono semplici liquidi. Hanno molecole simili a catene molto lunghe, e generalmente non cristallizzano ma formano amorfi, solidi vetrosi. Questo stato vetroso è importante per molte applicazioni come, Per esempio, nanolitografia. Anche l'interfaccia polimerica è importante, poiché è qui che si verificano importanti meccanismi e trasferimento di calore tra diverse molecole.

Lyulin e i suoi colleghi hanno esaminato la transizione vetrosa polimerica in campioni sfusi, ma erano particolarmente interessati ai film sottili di polistirene. A livello nanometrico, questi film sono spesso paragonabili allo spessore di una molecola. Nello studio della transizione vetrosa per i polimeri a questa scala, Lyulin ha sottolineato che i ricercatori vogliono conoscere le dinamiche rilevanti e la struttura.

"Nel nostro giornale, abbiamo studiato solo la struttura del polistirolo e cosa succede a questa struttura alla transizione vetrosa quando si va molto sottili, film di spessore nanometrico, " ha detto Liulin.

Ha notato che gli autori dell'articolo avevano familiarità con la ricerca sperimentale che indicava in modo sottile, film autoportante senza supporto, la temperatura di transizione del polistirene è molto bassa, rispetto a quello del polistirene sfuso, con una differenza di circa sessanta gradi Celsius.

"È un effetto enorme, il più grande effetto osservato nei film polimerici, " ha detto Lyulin. "E poi abbiamo cercato di capire perché, cosa c'è di così specifico nel polistirene."

Gli autori hanno ipotizzato che molti degli anelli benzenici nel film di polistirene siano spinti alla periferia del film, rivelando un comportamento interessante di queste interazioni ad anello, chiamate anche interazioni aromatiche o pi-pi.

"Significa che le interazioni molto forti tra gli anelli benzenici sono in qualche modo indebolite all'interno del film, " disse Lyulin. "E a causa di questo indebolimento, la transizione vetrosa avviene a temperature più basse."

Diversi gruppi all'interno del team di ricerca hanno testato questa ipotesi con un approccio su più fronti. Un gruppo ha preparato i campioni di film iniziali, uno ha eseguito simulazioni al computer e un altro gruppo ha contribuito ad analizzare i risultati.

Lyulin ha detto che il team ha anche visto che la temperatura di transizione è stata influenzata dalle velocità di raffreddamento del polimero. Hanno testato oltre 100 film di polistirene di diversa struttura, spessore e a diverse temperature, che ha richiesto più di sei mesi, e la velocità di raffreddamento della simulazione al computer era di molti ordini più veloce che negli esperimenti.

Per Liulin, la forte conferma della loro ipotesi alquanto sorprendente evidenzia che i risultati offrono intuizioni fondamentali sulla struttura molecolare del film di polistirene mentre la sostanza vetrosa si avvicina alla transizione.

"Queste interazioni aromatiche pi-pi giocano un ruolo molto, ruolo molto importante in questo specifico polimero e in qualsiasi polimero che contenga anelli aromatici, " ha detto Lyulin. "Le interazioni pi-pi portano a un orientamento specifico, all'ordinamento di questi gruppi aromatici e quindi alla struttura specifica che ha conseguenze molto importanti per questo materiale vetroso."

Lyulin aggiunge che questo sembra accadere con altri materiali non polimerici, come l'attuale popolare grafene, che ha queste interazioni pi-pi tra i suoi anelli di carbonio. Spera che lui e i suoi colleghi continuino questa linea di ricerca e combinino i risultati con altri teorici e sperimentali.

"Sarebbe molto interessante studiare e confrontare dinamicamente questo effetto, cosa succede alla mobilità di questi anelli, come si rilassano e cosa succede alla mobilità di altri segmenti polimerici dopo il raffreddamento nel sistema, " ha detto Lyulin. "Sarebbe molto interessante confrontare i valori di Tg (temperatura di transizione) sia statici che dinamici"