Il vetro è ovunque. Se qualcuno sta guardando fuori da una finestra o scorrendo uno smartphone, le probabilità sono che ci sia uno strato di vetro tra loro e qualunque cosa stiano guardando.

Nonostante sia in giro da almeno 5, 000 anni, c'è ancora molto da sapere su questo materiale, come come si formano certi bicchieri e come ottengono determinate proprietà. Una migliore comprensione di questo potrebbe portare a innovazioni nella tecnologia, come rivestimenti antigraffio e vetri con diverse proprietà meccaniche.

Negli ultimi anni, i ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno esaminato le proprietà dei vetri stabili, forme ravvicinate di vetri che sono prodotte depositando molecole da una fase di vapore su un substrato freddo.

"Ci sono state molte domande, "ha detto Zahra Fakhraai, professore associato di chimica alla Penn's School of Arts &Sciences, "sul fatto che questo sia analogo allo stesso stato amorfo di vetri invecchiati naturalmente come l'ambra, che si formano semplicemente raffreddando un liquido e facendolo invecchiare per molti, molti anni."

Per rispondere a queste domande, Fahkraai e Ph.D. lo studente Tianyi Liu ha collaborato con il professore di chimica Patrick Walsh che ha progettato e sintetizzato una nuova molecola speciale che è perfettamente rotonda con una forma sferica. Secondo Fakhrai, queste molecole uniche non possono mai allinearsi con alcun substrato mentre vengono depositate. A causa di ciò, i ricercatori si aspettavano che gli occhiali fossero amorfi e isotropi, il che significa che le loro particelle costituenti, se sono atomi, colloidi o grani, sono disposti in un modo che non ha uno schema o un ordine generale.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno notato che questi occhiali stabili sono birifrangenti, il che significa che l'indice di rifrazione della luce è diverso nelle direzioni parallele e normali al substrato, che non ci si aspetterebbe in un materiale rotondo. I loro risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Con birifrangenza, la luce irradiata in una direzione si romperà in modo diverso rispetto alla luce irradiata da una direzione diversa. Questo effetto è spesso sfruttato negli schermi a cristalli liquidi:il cambiamento dell'orientamento del materiale fa sì che la luce interagisca in modo diverso con esso, produrre effetti ottici. Nella maggior parte dei bicchieri depositati, questo è il risultato di molecole che si allineano in una particolare direzione mentre si condensano dalla fase di vapore in uno stato vetroso profondo.

Gli schemi di birifrangenza dei vetri della stalla erano strani, Fakhrai ha detto, poiché i ricercatori non si aspettavano alcun orientamento di queste molecole rotonde nel materiale.

Dopo aver collaborato con il professore di fisica James Kikkawa e il Ph.D. studentessa Annemarie Exarhos, chi ha fatto esperimenti di fotoluminescenza per osservare l'orientamento delle molecole, e professore di chimica Joseph Subotnick, che hanno aiutato con le simulazioni volte a guardare la struttura cristallina e calcolare l'indice di rifrazione del cristallo che ha permesso loro di elaborare la matematica del grado di birifrangenza o ordinamento nello stato amorfo, i ricercatori hanno confermato la loro impressione che non vi fosse alcun orientamento nel materiale.

Nonostante misuri l'ordine zero nel bicchiere, gli scienziati hanno ancora riscontrato una quantità di birifrangenza analoga ad avere fino al 30 percento delle molecole perfettamente ordinate. Attraverso i loro esperimenti, hanno scoperto che ciò è dovuto alla natura strato per strato della deposizione che consente alle molecole di impacchettarsi più strettamente nella direzione normale alla superficie durante la deposizione. Più denso è il vetro, maggiore è il valore della birifrangenza. Questo processo può essere controllato modificando la temperatura del substrato che controlla il grado di densificazione.

"Siamo stati in grado di dimostrare che questo è un tipo unico di ordine che emerge dal processo, " Ha detto Fakhraai. "Questo è un nuovo tipo di imballaggio che è davvero unico perché non hai alcun orientamento, ma puoi ancora manipolare le distanze molecolari in media e avere ancora un imballaggio casuale ma birifrangente nel complesso. E quindi questo ci insegna molto sul processo di come si può effettivamente accedere a queste fasi di stato inferiore, ma fornisce anche un modo per ingegnerizzare le proprietà ottiche senza necessariamente indurre un ordine o una struttura nel materiale".

Poiché i fattori di stress sono distribuiti in modo diverso dentro e fuori dal piano, questi occhiali potrebbero avere proprietà meccaniche diverse, che può essere utile nei rivestimenti e nella tecnologia. Potrebbe essere possibile manipolare l'orientamento di un vetro o la sua stratificazione per conferirgli determinate proprietà, come i rivestimenti antigraffio.

"Ci aspettiamo che se dovessimo incidere la superficie del vetro con qualcosa, "Fakhrai ha detto, "avrebbe una durezza diversa rispetto alla rientranza sul lato. Questo potrebbe cambiare i suoi modelli di frattura o la durezza o le proprietà elastiche. Penso che capire come forma, l'orientamento e l'imballaggio potrebbero influenzare la meccanica di questi rivestimenti è uno dei luoghi in cui potrebbero emergere applicazioni interessanti".

Secondo Fakhrai, uno dei pezzi più emozionanti di questa ricerca è l'aspetto fondamentale di poter ora dimostrare che possono esserci fasi amorfe ad alta densità. Spera che lei e altri ricercatori possano applicare la loro comprensione dallo studio di questi sistemi a ciò che accadrebbe nel vetro molto invecchiato.

"Questo ci dice che possiamo effettivamente realizzare bicchieri con imballaggi che sarebbero rilevanti per il vetro molto ben invecchiato, " Ha detto Fakhraai. "Questo apre la possibilità di comprendere meglio fondamentalmente il processo attraverso il quale possiamo realizzare occhiali stabili".