Se potessi indossare un paio di occhialini da nuoto, rimpicciolisciti come un personaggio di The Magic School Bus e fai un tuffo profondo all'interno di un liquido, vedresti una folla di molecole che fanno festa come se fosse il 1999.

Tutto questo frenetico dimenarsi rende facile per le molecole riorganizzarsi e per il liquido nel suo insieme cambiare forma. Ma per i liquidi super raffreddati—liquidi come il miele che vengono raffreddati al di sotto del punto di congelamento senza cristallizzare—la temperatura più bassa rallenta la danza come "At Last" di Etta James. Abbassa abbastanza la temperatura, e il rallentamento può essere così drammatico che ci vogliono secoli o addirittura millenni perché le molecole si riorganizzino e il liquido si muova.

Gli scienziati non possono studiare processi che durano più a lungo delle loro carriere. Ma i chimici della Duke e i loro collaboratori della Simons Foundation hanno trovato un modo per ingannare il tempo, simulando la lenta danza di liquidi profondamente raffreddati. Lungo la strada, hanno trovato nuove proprietà fisiche di liquidi e bicchieri superraffreddati "invecchiati".

Per capire quanto lentamente si muovono i liquidi profondamente raffreddati, considera l'esperimento più longevo al mondo, l'esperimento Pitch Drop dell'Università del Queensland. Una singola goccia di pece si forma ogni otto o tredici anni, e questa pece si muove più velocemente dei liquidi profondamente super raffreddati.

"Sperimentalmente c'è un limite a ciò che si può osservare, perché anche se sei riuscito a farlo per tutta la tua carriera, che è ancora un massimo di 50 anni, " ha detto Patrick Charbonneau, professore associato di chimica e fisica alla Duke. "Per molte persone quello che era considerato un soffitto di vetro duro, oltre la quale non si potrebbe studiare il comportamento dei liquidi superraffreddati."

Charbonneau, chi è un esperto di simulazioni numeriche, ha affermato che l'uso di computer per simulare il comportamento dei liquidi superraffreddati ha limiti di tempo ancora maggiori. Egli stima che, dato l'attuale tasso di avanzamento del computer, ci vorrebbero dai 50 ai 100 anni prima che i computer siano abbastanza potenti da consentire alle simulazioni di superare le capacità sperimentali, e anche allora le simulazioni impiegherebbero mesi.

Per rompere questo soffitto di vetro, il gruppo Charbonneau ha collaborato con Ludovic Berthier e il suo team, che stavano sviluppando un algoritmo per aggirare questi vincoli di tempo. Piuttosto che impiegare mesi o anni per simulare come ogni molecola in un liquido super raffreddato si muove finché le molecole non si riorganizzano, l'algoritmo seleziona le singole molecole per scambiarsi di posto l'una con l'altra, creando nuove configurazioni molecolari.

Ciò consente al team di esplorare nuove configurazioni che potrebbero richiedere millenni per formarsi naturalmente. Questi liquidi "liquidi super-raffreddati e vetri ultra-invecchiati" hanno un'energia inferiore, e più stabile, rispetto a qualsiasi osservato prima.

"Imbrogliavamo il tempo nel senso che non dovevamo seguire le dinamiche del sistema, " ha detto Charbonneau. "Siamo stati in grado di simulare liquidi profondamente superraffreddati ben oltre è possibile negli esperimenti, e ha aperto molte possibilità".

La scorsa estate, il team ha utilizzato questa tecnica per scoprire una nuova transizione di fase negli occhiali a bassa temperatura. Di recente hanno pubblicato altri due studi, uno dei quali fa luce sul "paradosso di Kauzmann, " una domanda di 70 anni sull'entropia dei liquidi superraffreddati al di sotto della transizione vetrosa. La seconda esplora la formazione di vetri depositati da vapore, che hanno applicazioni nella somministrazione di farmaci e nei rivestimenti protettivi.

"La natura ha un solo modo per equilibrarsi, semplicemente seguendo la dinamica molecolare, " ha detto Sho Yaida, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Charbonneau. "Ma la cosa grandiosa delle simulazioni numeriche è che puoi modificare l'algoritmo per accelerare il tuo esperimento".