Tutti sanno che l'acqua si congela a 0 gradi C. La vita sulla Terra sarebbe molto diversa se così non fosse. Però, cugino dell'acqua, silice, mostra un comportamento ribelle una volta raffreddato che ha lasciato perplessi a lungo gli scienziati.

A differenza dell'acqua, silice (SiO ₂ ) non si congela facilmente. Quando la silice liquida si raffredda, i suoi atomi non riescono a organizzarsi in un cristallo ordinato. Anziché, al diminuire della temperatura, lo stato liquido sopravvive anche molto al di sotto della temperatura di congelamento nominale. Questo fenomeno è chiamato superraffreddamento. Infine, gli atomi sono semplicemente bloccati in posizione ovunque si trovino, preservare il disordine strutturale del liquido. Lo stato congelato risultante della materia, meccanicamente solida, ma microscopicamente simile a un liquido, è un bicchiere.

La preferenza della silice per la formazione del vetro ha importanti conseguenze, poiché è tra i composti più abbondanti sulla Terra. In alcuni modi, silice e acqua sono simili:hanno geometrie di coordinazione simili con simmetria tetraedrica, ed entrambi mostrano un'insolita tendenza a diventare meno densi al di sotto di una certa temperatura durante il raffreddamento, ma più fluido dopo la pressurizzazione. Mostrano anche strutture cristalline analoghe quando la silice può essere persuasa al congelamento.

Recentemente, i ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno scoperto indizi vitali sul motivo per cui l'acqua e la silice divergono così nettamente quando diventano fredde. In uno studio pubblicato su PNAS , le loro simulazioni hanno rivelato l'influenza della disposizione simmetrica locale degli atomi allo stato liquido sulla cristallizzazione. Si scopre che gli atomi si dispongono correttamente nell'acqua mentre non nella silice.

Quando i liquidi si raffreddano, l'ordine nasce dalla casualità, mentre gli atomi si assemblano in schemi. Dal punto di vista di ogni singolo atomo, una serie di gusci concentrici appare mentre i suoi vicini si raccolgono intorno. Sia nell'acqua che nella silice, il primo guscio (attorno a ciascun atomo di O o Si, rispettivamente) è di forma tetraedrica, un caso di ordinamento orientativo, o "rottura della simmetria". La differenza fondamentale è la seconda struttura a guscio. Per l'acqua, è ancora disposto correttamente con ordine orientativo, ma per la silice, il secondo guscio è spalmato in modo casuale con poco ordine di orientamento.

"In acqua, le strutture ordinate localmente sono precursori del ghiaccio; questo è, cristalli tetraedrici di H2O, " spiega il co-autore Rui Shi. "L'ordinamento orientativo, o rottura della simmetria rotazionale, allo stato liquido spiega perché l'acqua si congela così facilmente. In silice superraffreddata, però, la mancanza di ordinamento orientativo impedisce la cristallizzazione, con conseguente facile formazione del vetro. In altre parole, la simmetria rotazionale è più difficile da rompere nella struttura liquida della silice, e con un ordine meno orientativo."

I ricercatori spiegano questa differenza confrontando il legame tra le due sostanze. L'acqua è costituita da singole molecole di H2O, tenuti insieme da forti legami covalenti ma interagenti tramite legami idrogeno più deboli. La struttura molecolare stabile dell'acqua limita la libertà degli atomi, con conseguente elevato ordine di orientamento in acqua. Silice, però, non ha forma molecolare, e gli atomi sono conseguentemente legati in modo meno direzionale, portando a uno scarso ordine di orientamento.

"Abbiamo dimostrato che le differenze macroscopiche tra acqua e silice hanno origine nel mondo microscopico dell'incollaggio, ", afferma l'autore corrispondente Hajime Tanaka. "Speriamo di estendere questo principio ad altre sostanze, come carbonio liquido e silicio, strutturalmente simili all'acqua e alla silice. L'obiettivo finale è sviluppare una teoria generale di come i formatori di vetro differiscono dai formatori di cristalli, che è qualcosa che finora è sfuggito agli scienziati".