Impariamo a scuola che la materia si presenta in tre stati:solido, liquido e gas. Uno studente annoiato e intelligente (ne abbiamo incontrati tutti uno) a volte chiede se il vetro è un solido o un liquido.

Lo studente ha ragione. Gli occhiali sono strani "liquidi solidi" che vengono raffreddati così velocemente che i loro atomi o molecole si incastrano prima di organizzarsi negli schemi regolari di un solido cristallino. Quindi un vetro ha le proprietà meccaniche di un solido ma i suoi atomi o molecole sono disorganizzati, come quelli in un liquido.

Un segno della stranezza del vetro è che il passaggio dal liquido al vetro è molto più sfocato rispetto al passaggio dal liquido al solido cristallino. Infatti, la transizione vetrosa è arbitrariamente definita come il punto in cui il materiale che forma il vetro ha una viscosità di 1013 poise. (La viscosità dell'acqua a temperatura ambiente è di circa 0,01 poise. Un olio denso potrebbe avere una viscosità di circa 1,0 poise.) A questo punto, è troppo spesso per scorrere e quindi soddisfa la definizione pratica di un solido.

Gli scienziati odiano definizioni così vaghe, ma sono rimasti bloccati con questo perché nessuno ha veramente capito la transizione vetrosa, che spesso fa parte delle liste dei primi 10 problemi irrisolti in fisica.

Per la maggior parte, gli scienziati sono stati in grado di misurare solo le proprietà di massa dei liquidi che formano il vetro, come viscosità e calore specifico, e le interpretazioni che ne derivavano dipendevano in parte dalle misurazioni che prendevano. La letteratura sul vetro è notoriamente piena di scoperte contraddittorie e i laboratori sul vetro sono sede di vivaci dibattiti.

Ma negli ultimi quindici anni, nuove configurazioni sperimentali che disperdono raggi X o neutroni dagli atomi in una gocciolina di liquido che viene trattenuta senza un contenitore (che ne provocherebbe la cristallizzazione) hanno finalmente permesso agli scienziati di misurare le proprietà atomiche del liquido. E questo è il livello in cui sospettano che siano nascosti i segreti della transizione vetrosa.

In uno di questi studi, Ken Kelton, l'Arthur Holly Compton Professor in Arts &Sciences alla Washington University di St. Louis, e il suo gruppo di ricerca (Chris Pueblo, Washington University e Minhua Sun, Università Normale di Harbin, Cina) ha confrontato una misura dell'interazione degli atomi per diversi liquidi che formano il vetro. I loro risultati, pubblicato online in Materiali della natura , conciliare diverse misure di formazione del vetro, segno che sono sulla strada giusta.

"Abbiamo dimostrato che il concetto di liquidi fragili e forti, che è stato inventato per spiegare perché la viscosità cambia in modi notevolmente diversi quando un liquido si raffredda, in realtà va molto più in profondità della semplice viscosità, "Ha detto Kelton. "In definitiva è legato alla repulsione tra gli atomi, che limita la loro capacità di muoversi in modo cooperativo. Per questo la distinzione tra liquidi fragili e liquidi forti compare anche nelle proprietà strutturali, proprietà elastiche e dinamiche. Sono solo manifestazioni diverse di quell'interazione atomica".

Questa è la prima volta che viene dimostrata sperimentalmente la connessione tra viscosità e interazioni atomiche, Egli ha detto. intrigante, i suoi studi e il lavoro di altri suggeriscono che la transizione vetrosa inizia non alla temperatura di transizione vetrosa convenzionale, ma piuttosto a una temperatura circa due volte superiore nei vetri metallici (più di due volte superiore nei vetri silicati, come il vetro di una finestra). È a quel punto, Kelton ha detto, gli atomi iniziano prima a muoversi in modo cooperativo.

Perforazione fino al livello atomico

Le ultime scoperte di Kelton seguono precedenti indagini su una caratteristica dei liquidi che formano il vetro chiamata fragilità. Per la maggior parte delle persone, tutti i bicchieri sono fragili, ma per i fisici alcuni sono "forti" e altri sono "fragili".

La distinzione è stata introdotta per la prima volta nel 1995 da Austen Angell, un professore di chimica all'Arizona State University, che sentivano la necessità di un nuovo termine per catturare le differenze drammatiche nel modo in cui la viscosità di un liquido aumenta quando si avvicina alla transizione vetrosa.

Le viscosità di alcuni liquidi cambiano gradualmente e gradualmente man mano che si avvicinano a questa transizione. Ma mentre altri liquidi vengono raffreddati, la loro viscosità cambia molto poco all'inizio, ma poi decolla come un razzo quando la temperatura di transizione si avvicina.

Al tempo, Angell poteva solo misurare la viscosità, ma chiamò il primo tipo di liquido "forte" e il secondo tipo "fragile" perché sospettava una differenza strutturale alla base delle differenze che vedeva,

"È più facile spiegare cosa intendesse se si pensa a un bicchiere che diventa liquido piuttosto che viceversa, " ha detto Kelton. "Supponiamo che un vetro venga riscaldato attraverso la temperatura di transizione vetrosa. Se è un sistema "forte", "ricorda" la struttura che aveva come un bicchiere - che è più ordinata che in un liquido - e questo ti dice che la struttura non cambia molto durante la transizione. In contrasto, un sistema 'fragile' 'dimentica' rapidamente la sua struttura in vetro, che ti dice che la sua struttura cambia molto durante la transizione.

"La gente sosteneva che il cambiamento di viscosità doveva essere correlato alla struttura, attraverso diversi concetti intermedi, alcuni dei quali non ben definiti, " ha aggiunto Kelton. "Quello che abbiamo fatto è stato saltare questi passaggi intermedi per mostrare direttamente che la fragilità era correlata alla struttura".

Nel 2014, lui con i membri del suo gruppo pubblicato in Comunicazioni sulla natura i risultati di esperimenti che hanno dimostrato che la fragilità di un liquido che forma il vetro si riflette in qualcosa chiamato fattore di struttura, una quantità misurata diffondendo i raggi X da una gocciolina di liquido che contiene informazioni sulla posizione degli atomi nella gocciolina.

"Era proprio come aveva sospettato Angell, " ha detto Kelton. "Il tasso di ordinamento atomico nel liquido vicino alla temperatura di transizione determina se un liquido è 'fragile' o 'forte'".

Piccoli gomiti atomici affilati

Ma Kelton non era soddisfatto. Altri scienziati stavano trovando correlazioni tra la fragilità di un liquido e le sue proprietà elastiche e dinamiche, così come la sua struttura. "Ci deve essere qualcosa in comune, " pensò. "Qual è l'unica cosa che potrebbe essere alla base di tutte queste cose?" La risposta, lui credeva, doveva essere l'attrazione e la repulsione mutevole tra gli atomi mentre si avvicinavano l'uno all'altro, che prende il nome di potenziale di interazione atomica.

Se due atomi sono ben separati, Kelton ha spiegato, c'è poca interazione tra loro e il potenziale interatomico è quasi zero. Quando si avvicinano, sono attratti l'uno dall'altro per una serie di motivi. L'energia potenziale diminuisce, diventare negativo (o attraente). Ma poi mentre si avvicinano ancora, i nuclei degli atomi iniziano ad interagire, respingendosi l'un l'altro. L'energia schizza verso l'alto.

"È quella parte ripugnante del potenziale che stavamo vedendo nei nostri esperimenti, " disse Kelton.

Cosa hanno scoperto quando hanno misurato il potenziale repulsivo di 10 diverse leghe metalliche all'Advanced Photon Source, una linea di luce all'Argonne National Laboratory, è che i liquidi "forti" hanno potenziali repulsivi più ripidi e la pendenza del loro potenziale repulsivo cambia più rapidamente rispetto a quelli "fragili". "Cosa significa, "Kelton ha detto, "è che i liquidi "forti" si ordinano più rapidamente alle alte temperature rispetto a quelli "fragili". Questo è il fondamento microscopico della fragilità di Angell.

"Cosa c'è di interessante, "Kelton continuò, "è che vediamo atomi che iniziano a rispondere in modo cooperativo, mostrando consapevolezza l'uno dell'altro, a temperature circa il doppio della temperatura di transizione vetrosa e vicine alla temperatura di fusione.

"È qui che inizia davvero la transizione vetrosa, " disse. "Mentre il liquido si raffredda sempre di più, gli atomi si muovono in modo cooperativo finché zattere di cooperazione si estendono da un lato all'altro del liquido e gli atomi si incastrano. Ma quel punto, la transizione vetrosa convenzionale, è solo il punto finale di un processo continuo che inizia a una temperatura molto più alta."

Kelton parteciperà presto a un seminario in Polonia dove si aspetta una vivace discussione sulle sue scoperte, che contraddicono quelli di alcuni suoi colleghi. Ma è convinto di avere in mano il filo che lo condurrà fuori dal labirinto perché iniziano ad allinearsi diversi livelli di comprensione. "È eccitante che le cose stiano andando così bene, " Egli ha detto.

Bicchieri, bicchieri, da tutte le parti

Ken Kelton ha perseguito la transizione vetrosa per molti anni sia perché la fisica è interessante e, lui confessa, perché gli piacciono semplicemente i liquidi e i bicchieri. Ma quando cerca su Google le persone che hanno citato i suoi articoli, spesso scopre che lavorano nell'industria. Questo perché gli occhiali sono ovunque. La maggior parte di noi pensa al vetro come al vetro di una finestra o ai bicchieri, ma molti alimenti, farmaci e plastica sono anche occhiali.

Gli spaghetti secchi sono duri e friabili perché sono al bicchiere. Quando viene riscaldato in acqua bollente, subisce una transizione verso uno stato "gommoso" che ben si sposa con la salsa rossa. Lo zucchero filato è un bicchiere fatto sciogliendo i cristalli di zucchero e poi facendo girare la massa fusa in modo che i fili di zucchero fuso si "congelano" sotto forma di un bicchiere. Cheetos, cracker di gamberi e latte in polvere sono tutti bicchieri, come molti altri cibi.

Le aziende farmaceutiche usano spesso l'essiccazione a spruzzo o la liofilizzazione per assicurarsi che un farmaco sia vetroso anziché cristallino. Molte plastiche dure, come il polisitreno (confezione di arachidi, rasoi usa e getta) e cloruro di polivinile (rivestimenti in vinile, impianto idraulico) sono anche gli occhiali.

Gli scienziati industriali stanno esaminando le carte di Kelton perché hanno bisogno di controllare la transizione vetrosa e la trasformazione del vetro in un solido cristallino per conferire ai loro prodotti proprietà desiderabili. I farmaci allo stato vetroso generalmente si dissolvono meglio nel corpo, in modo che dosi più basse siano efficaci, e alcuni farmaci devono essere prodotti come bicchieri perché sono insolubili nella loro forma cristallina. Anche il controllo della transizione vetrosa è importante nella produzione di materie plastiche. Perché sono occhiali, le plastiche dure hanno una "memoria" della loro storia termica che influenza il modo in cui si comportano e invecchiano.