I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato una nuova tecnica per studiare la superficie di diversi tipi di vetro. Utilizzando questa tecnica, hanno scoperto una proprietà sorprendente dello strato superiore dei vetri, che potrebbe aprire la strada allo sviluppo di materiali in vetro migliori.

La ricerca è stata guidata da Yue Zhang, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica della Penn's School of Arts &Sciences, e Zahra Fakhraii, assistente professore di chimica. Zhang ha ricevuto un APS Padden Award per la ricerca, che riconosce l'eccellenza nella ricerca sulla fisica dei polimeri.

La distinzione tra cristalli e liquidi è che, mentre i cristalli sono ordinati e solidi, i liquidi sono disordinati e possono muoversi per riempire qualunque contenitore si trovino. Ma se si dovesse raffreddare a sufficienza un liquido, rimarrebbe disordinato mentre il moto delle sue molecole rallenterebbe tanto da sembrare solido. È così che si formano materiali amorfi come gli occhiali.

Tesoro, ad esempio, è un liquido, ma quando è refrigerato le sue proprietà diventano più simili a quelle di un solido.

I ricercatori della Penn stavano studiando come le interfacce o le superfici, i confini tra due fasi della materia, influenzerebbe le proprietà degli occhiali. Secondo Fakhrai, quando viene introdotta una superficie libera nel materiale, il movimento accelera di nuovo, che si propaga nel film.

Anche se il miele sembrerebbe solido, le molecole nei primi 5 o 10 nanometri rimarrebbero liquide e in movimento. Se si mettesse un ago sulla superficie del miele, si immergerebbe e formerebbe un menisco, permettendo alle molecole di muoversi, mentre lo stesso ago non avrebbe alcun effetto su un solido.

In un precedente articolo pubblicato su Materia morbida , i ricercatori hanno ridotto questa tecnica a scale di lunghezza nanometrica usando un virus come ago e hanno osservato le molecole di superficie entrare e cercare lentamente di formare un menisco attorno al virus. Mentre le molecole al centro del materiale possono impiegare milioni di anni per muoversi, per le molecole in alto sarebbe più simile a poche centinaia di secondi.

"La tecnica che abbiamo sviluppato è davvero entusiasmante perché sul campo non ci sono molte tecniche per sondare direttamente i moti superficiali, " ha detto Zhang. "La nostra tecnica è molto efficiente e matematicamente semplice, e possiamo facilmente estenderlo ad altri sistemi."

Uno degli aspetti più impegnativi dello sviluppo della tecnica, Fakhrai ha detto, stava capendo che potevano usare dei virus per sondare i materiali.

"Per alcuni anni abbiamo cercato di sintetizzare nanotubi che sembravano aghi ed erano abbastanza lunghi e uniformi, " ha detto. "I virus sono perfetti perché hanno queste strutture cristalline che sono esattamente le giuste dimensioni di cui abbiamo bisogno. Pensare al virus come a una nanoparticella ci ha davvero aiutato ad andare avanti".

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno voluto determinare come il movimento delle molecole sulla superficie libera è accoppiato con il movimento sottostante. In particolare, volevano vedere se le molecole sulla superficie sarebbero state influenzate se il movimento delle molecole sotto di loro fosse accelerato o rallentato.

In un altro precedente articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche di deposizione per imballare meglio le molecole e formare vetri stabili. Ciò ha reso tutto estremamente lento al punto che ci sarebbe voluto più tempo dell'età dell'universo perché le molecole al centro si muovessero.

Nel loro articolo più recente, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , hanno velocizzato il tutto facendo pellicole più sottili, che avrebbe più di una superficie libera.

"Sulla base di molte teorie diverse, ci saremmo aspettati che i moti al centro e la superficie libera sarebbero stati accoppiati insieme, " Ha detto Fakhraai. "L'esempio che mi piace fare è se dici davanti alla sfilata e ti muovi più velocemente, le cose dovrebbero seguirti Ma non succede così. Lo strato superiore immediato non si accoppia davvero:quelle molecole possono muoversi senza influenzare ciò che sta accadendo dietro di loro".

Questi risultati, lei disse, erano sorprendenti. Mentre c'erano molte idee diverse sull'esistenza di questa correlazione, nessuno l'aveva davvero misurato prima. Hanno scoperto che, non importa che tipo di movimento, le molecole in alto e le molecole al centro non hanno effetto l'una sull'altra.

I ricercatori sperano di poter sondare il secondo e il terzo strato, che possono essere importanti nel processo di densificazione dei materiali durante la deposizione, che è la base per realizzare vetri stabili ed è di importanza tecnologica. Poiché le molecole del primo strato non sono influenzate dal movimento delle molecole sottostanti, il movimento degli strati sottostanti diventa cruciale nel processo.

"Pensiamo che siano davvero le molecole del secondo e del terzo strato che partecipano a questo processo di densificazione, e le molecole sulla superficie libera sono proprio come un mare di oggetti liberi che possono fornire quella mobilità ma non partecipano necessariamente al processo, "Ha detto Fakhrai.

Sperano anche di comprendere meglio la transizione dalle particelle in rapido movimento sulla superficie alle molecole in movimento estremamente lento al centro. Le persone in piedi davanti a una parata sono libere di muoversi, Fakhrai ha spiegato, ma più vai in profondità nella parata, il movimento diventa più limitato.

"La domanda è quanto è profondo l'effetto e come avviene questo processo, " Fakhraai ha detto. "Come posso passare da qualcosa che impiega 100 secondi per passare a qualcosa che impiega miliardi di anni? Penso che questa sia la prossima grande sfida in campo:capire quel gradiente".

Secondo Fakhrai, lo studio di questo processo consentirà ai ricercatori non solo di comprendere meglio le teorie, ma anche di migliorare i rivestimenti sui materiali e progettare materiali amorfi migliori.

"Sappiamo cosa regola l'orologio nel mezzo del film, ma non sappiamo cosa imposta l'orologio per quelle molecole di superficie, " Ha detto Fakhraai. "Penso che sia qualcosa da capire di più in futuro."