I ricercatori dell'Università di Tokyo riferiscono che l'entropia strutturale a due corpi è la quantità chiave per comprendere la dinamica dei liquidi superraffreddati e anche il meccanismo alla base del fenomeno dell'assottigliamento del taglio.

Liquidi superraffreddati

I liquidi sono lo stato meno compreso della materia. Essendo intermedio tra gas e solidi, il loro comportamento è una miscela imprevedibile di entrambi. Particolarmente insoliti sono i liquidi che formano il vetro, che possono essere raffreddati al di sotto del loro punto di congelamento senza cristallizzare. Tali liquidi superraffreddati diventano viscosi con una diminuzione della temperatura, e alla fine diventano solidi vetrosi (vetri) al di sotto della temperatura di transizione vetrosa. Vediamo questo comportamento gentile nel processo di soffiatura del vetro.

Ora, in un articolo pubblicato su PNAS , due ricercatori dell'Istituto di scienze industriali (IIS) dell'Università di Tokyo hanno rivelato nuove intuizioni sul comportamento dei liquidi superraffreddati fatti scorrere per taglio.

Liquidi superraffreddati tranciati

Inizialmente, come un liquido superraffreddato viene fatto scorrere per tranciatura ("tirando"), la sua viscosità rimane invariata. Ma poiché il liquido viene fatto scorrere più velocemente, la viscosità inizia sorprendentemente a diminuire e diventa più facile per il liquido scorrere (cioè diventa meno appiccicoso). Questo fenomeno è chiamato shear thinning, ed è un processo di importanza industriale, come quando due superfici lubrificate scorrono facilmente l'una contro l'altra. Nonostante decenni di ricerca e il grande sforzo di molti ricercatori, il meccanismo alla base dell'assottigliamento da taglio rimane sconosciuto.

I ricercatori dell'IIS hanno utilizzato simulazioni al computer di schede grafiche (GPU) per simulare diversi liquidi superraffreddati su modelli di computer mentre venivano fatti fluire per taglio. Il liquido superraffreddato tranciato non solo scorre più facilmente; anche le disposizioni delle molecole vengono modificate con l'aumento del flusso (chiamato anche struttura del liquido). Questi fatti rendono i liquidi superraffreddati tranciati difficili da descrivere utilizzando teorie fondamentali. I ricercatori dell'IIS hanno invece usato l'entropia per descrivere la dinamica dei liquidi superraffreddati tagliati. L'entropia è una misura di quanto sia ordinato un sistema; un cristallo tende ad essere più ordinato di un liquido e quindi ad avere una minore entropia.

"Considerando la disposizione delle molecole sotto taglio potremmo collegare il comportamento dei liquidi superraffreddati sotto taglio a un concetto fondamentale in fisica, vale a dire l'entropia; o più precisamente, l'entropia strutturale a due corpi, ", afferma il co-autore Trond S. Ingebrigtsen. "Inoltre, poiché l'entropia a due corpi può essere calcolata facilmente negli esperimenti, i nostri risultati possono essere verificati non solo mediante simulazioni al computer. I precedenti tentativi di utilizzare l'entropia a due corpi hanno incontrato problemi come il cambiamento nella disposizione delle molecole sotto sforzo di taglio, o anisotropia strutturale, non è stato preso in considerazione».

Poiché un liquido viene fatto scorrere più velocemente sotto il taglio, la disposizione delle molecole deve adattarsi alla nuova situazione, e inducono quella che viene chiamata anisotropia strutturale nel liquido. Ciò significa che, ad esempio, la struttura misurata rispetto alla direzione del flusso risulterà diversa e influenzerà le proprietà del sistema nel suo insieme.

"Modificando l'entropia a due corpi per tenere conto di questi cambiamenti strutturali che si verificano sotto il taglio, siamo stati in grado di descrivere la dinamica di taglio utilizzando il comportamento del liquido senza taglio. Abbiamo scoperto che l'entropia a due corpi calcolata lungo il cosiddetto asse estensionale del flusso era la quantità chiave per descrivere la dinamica di taglio. L'entropia a due corpi nelle altre direzioni potrebbe essere tranquillamente ignorata, " Ingebrigtsen dice. "Intuitivamente, la struttura lungo la direzione estensionale è importante poiché il flusso di taglio in questa direzione si apre per più spazio e le molecole possono fuggire più facilmente."

Le simulazioni al computer non hanno scoperto l'intero meccanismo dietro l'assottigliamento a taglio, ma la scoperta della correlazione della dinamica di taglio con l'entropia strutturale a due corpi ha fornito nuove informazioni sui cambiamenti strutturali rilevanti per la comprensione del fenomeno dell'assottigliamento del taglio.

"Siamo stati molto contenti che tutti i nostri liquidi modello simulati abbiano dato risultati così chiari, poiché sono stati scelti per coprire una gamma molto ampia di liquidi modello particolarmente rilevanti per gli esperimenti, " spiega il co-autore Hajime Tanaka. "Ora, la sfida è comprendere più in dettaglio il meccanismo microscopico alla base di queste osservazioni per comprendere appieno il meccanismo alla base dello shear thinning. Rimaniamo molto positivi in ​​questo senso".