Un team guidato da Caltech ha recentemente risolto un mistero della scienza dei materiali vecchio di decenni, rintracciando l'origine dell'entropia nei vetri metallici.

Tipicamente, gli atomi nella maggior parte dei materiali si dispongono in schemi ripetibili stabili lungo una griglia, formando i cosiddetti cristalli. Al contrario, i vetri metallici sono metalli che sono stati riscaldati fino a liquefarsi, e poi si sono raffreddati così rapidamente che non hanno il tempo di cristallizzare prima di solidificarsi. Anziché, hanno un aspetto amorfo, struttura a livello atomico simile a un liquido che conferisce loro proprietà fisiche uniche.

Un mistero persistente sui vetri metallici si verifica durante la cosiddetta "transizione vetrosa". Un freddo vetro metallico è duro e fragile, ma quando viene riscaldato oltre un certo punto, la transizione vetrosa, diventa morbido.

Alla transizione vetrosa, gli scienziati hanno notato un improvviso aumento dell'entropia nel materiale che viene riscaldato. In termodinamica, l'entropia è la quantità di energia in un sistema che non è disponibile per fare lavoro, che è legata alla quantità di casualità in un sistema. Per quanto riguarda le transizioni di fase, immagina il ghiaccio che si scioglie in acqua. Quando le molecole d'acqua sono bloccate nella struttura cristallina del ghiaccio, sono in uno stato a bassa energia con posizioni abbastanza prevedibili. Quando quel ghiaccio si scioglie in un liquido, quelle molecole d'acqua possono fluire in quasi tutte le posizioni, che è un aumento della casualità - l'entropia - del sistema.

"L'origine dell'enorme entropia del vetro e del liquido rispetto al cristallo è stata discussa nella letteratura scientifica da quando i vetri metallici furono scoperti al Caltech nel 1960, " dice Hillary Smith del Caltech (MS '10, dottorato di ricerca '14), autore principale di un recente articolo sull'entropia nei vetri metallici che è stato pubblicato su Fisica della natura . Smith è un ricercatore nel laboratorio di Brent Fultz, Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., Professore di Scienza dei Materiali e Fisica Applicata nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate al Caltech, e coautore del documento.

Il team si è concentrato sulla distinzione tra la quantità di "entropia configurazionale" e "entropia vibrazionale" - le due principali fonti di entropia nella maggior parte dei materiali - nei vetri metallici.

Immagina di scaricare un sacchetto di monete su un tavolo, e poi contando quanti sono arrivati ​​heads-up contro tails-up. È possibile ottenere tutte le teste o tutte le croci, ma è statisticamente più probabile che ottenga circa metà testa e metà croce perché ci sono più modi per le monete di disporsi in una configurazione a metà e metà che in una configurazione a tutte le teste. In termodinamica, si direbbe che la disposizione mezza testa/mezza coda ha un'entropia configurazionale più alta.

Però, gli atomi (a differenza delle monete) non stanno fermi, ma piuttosto vibrano nella loro posizione. La quantità di questa entropia vibrazionale è determinata, in parte, dalla rigidità della struttura che tiene in posizione i suoi atomi.

"Misurando accuratamente la quantità di questo calore che proviene dalle configurazioni degli atomi e la quantità che proviene dalle vibrazioni degli atomi, siamo riusciti a mettere a tacere questa polemica per i vetri metallici, "dice Smith.

Il team ha prima valutato l'entropia vibrazionale dei metalli sia in forma di vetro che di cristallo. Fare così, hanno usato fasci di neutroni intensi all'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee per bombardare ogni materiale, suonando ogni campione come una campana e misurando come ha risposto. Hanno anche misurato l'entropia totale del vetro e del cristallo usando una tecnica chiamata calorimetria.

"Misurare la quantità di entropia che deriva dalle vibrazioni degli atomi in un bicchiere non era possibile dieci anni fa, "Smith dice. "È solo grazie ai fasci di neutroni incredibilmente intensi disponibili a Oak Ridge che abbiamo potuto fare questo esperimento. Finalmente, abbiamo trovato il pezzo mancante nel convalidare una teoria molto dibattuta che non era mai stata testata".

Hanno scoperto che sebbene l'entropia totale nel vetro sia molto più grande che nel cristallo, le loro entropie vibrazionali sono quasi identiche. Ciò indica che l'entropia nella struttura del vetro deriva quasi esclusivamente da come gli atomi si dispongono; questo è, dall'entropia configurazionale.

Prossimo, il team prevede di studiare altri tipi di occhiali per determinare se il risultato è universale per tutti gli occhiali.