Ingrandisci un cristallo e troverai una serie ordinata di atomi, equidistanti come le finestre dell'Empire State Building. Ma ingrandisci un pezzo di vetro, e l'immagine sembra un po' più disordinata, più simile a un mucchio di sabbia casuale, o forse le finestre di un edificio di Frank Gehry.

La natura altamente ordinata dei cristalli li rende abbastanza semplici da capire matematicamente, e i fisici hanno sviluppato teorie che catturano tutti i tipi di proprietà dei cristalli, da come assorbono il calore a cosa succede quando si rompono.

Ma lo stesso non si può dire del vetroso, materiali amorfi o comunque "disordinati" come il vetro delle nostre finestre e dei nostri vasi, cibo surgelato, e alcune plastiche. Non ci sono teorie ampiamente condivise per spiegare il loro comportamento fisico.

Da quasi 30 anni, i fisici hanno discusso se una misteriosa transizione di fase, presente nei modelli teorici dei materiali disordinati, potrebbe esistere anche negli occhiali della vita reale. Con l'aiuto di alcune magie matematiche prese in prestito dalla fisica delle particelle, oltre a dozzine di pagine di calcoli algebrici, tutto fatto a mano:il borsista postdottorato della Duke University Sho Yaida ha messo a tacere questo mistero.

Le intuizioni di Yaida aprono la possibilità che alcuni tipi di vetro possano esistere in un nuovo stato della materia a basse temperature, influenzando il modo in cui rispondono al calore, suono e stress, e come e quando si rompono.

"Abbiamo trovato indizi della transizione che non osavamo dire fossero una prova della transizione perché una parte della comunità ha affermato che non poteva esistere, " ha detto Patrick Charbonneau, professore associato di chimica presso Duke e consulente di Yaida. "Ciò che Sho mostra è che può esistere."

Per quanto sbalorditivo possa sembrare, Charbonneau ha detto, la matematica dietro gli occhiali e altri sistemi disordinati è in realtà molto più facile da risolvere assumendo che questi materiali esistano in un ipotetico universo a dimensione infinita. In infinite dimensioni, le loro proprietà possono essere calcolate in modo relativamente semplice, proprio come le proprietà dei cristalli possono essere calcolate per il nostro universo tridimensionale.

"La domanda è se questo modello ha qualche attinenza con il mondo reale". disse Charbonneau. Per i ricercatori che hanno effettuato questi calcoli, "la scommessa era che, mentre cambi dimensione, le cose cambiano abbastanza lentamente da poter vedere come si trasformano mentre passi da un numero infinito di dimensioni a tre, " Egli ha detto.

Una caratteristica di questi calcoli dimensionali infiniti è l'esistenza di una transizione di fase, chiamata "transizione di Gardner" dal fisico pionieristico Elizabeth Gardner, che, se presente nei bicchieri, potrebbero modificare significativamente le loro proprietà a basse temperature.

Ma questa fase di transizione, chiaramente presente in dimensioni infinite, esistono anche in tre? Già negli anni '80, un team di fisici ha prodotto calcoli matematici che mostrano che no, non potrebbe. Per tre decenni, il punto di vista prevalente rimaneva che questa transizione, mentre teoricamente interessante, era irrilevante per il mondo reale.

Questo è, fino a quando recenti esperimenti e simulazioni di Charbonneau e altri hanno iniziato a mostrarne accenni in vetri tridimensionali.

"La nuova spinta a guardare questo è che, quando si affronta il problema della formazione del vetro, hanno trovato una transizione molto simile a quella che è apparsa in questi studi, " ha detto Charbonneau. "E in questo contesto può avere importanti applicazioni di materiali".

Yaida, che ha una formazione in fisica delle particelle, diede una seconda occhiata alle vecchie dimostrazioni matematiche. Questi calcoli non erano riusciti a trovare un "punto fisso" in tre dimensioni, un prerequisito per l'esistenza di una transizione di fase. Ma se ha fatto il calcolo un altro passo, pensava, la risposta potrebbe cambiare.

Un mese e 30 pagine di calcoli dopo, lo aveva.

"Momenti come questi sono il motivo per cui faccio scienza, " Yaida ha detto. "E 'solo un punto, ma significa molto per le persone in questo campo. Dimostra che questa cosa esotica che le persone hanno trovato negli anni settanta e ottanta ha una rilevanza fisica per questo mondo tridimensionale".

Dopo un anno di controlli e ricontrolli, più altre 60 pagine dispari di calcoli di supporto, i risultati sono stati pubblicati il ​​26 maggio in Lettere di revisione fisica .

"Il fatto che questa transizione possa effettivamente esistere in tre dimensioni significa che possiamo iniziare a cercarla seriamente, " ha detto Charbonneau. "Influisce sul modo in cui il suono si propaga, quanto calore può essere assorbito, il trasporto di informazioni attraverso di essa. E se inizi a tagliare il vetro, come produrrà, come si romperà".

"Cambia profondamente il modo in cui intendiamo i materiali amorfi in generale, siano esse plastiche amorfe o mucchi di sabbia o vetri di finestre, " Egli ha detto.