Per millenni, le persone hanno usato sabbia fusa e altri ingredienti per creare perle di vetro e moda, navi, lenti e finestre.

In questi giorni, occhiali metallici - realizzati interamente con atomi di metallo - sono in fase di sviluppo per applicazioni biomediche come aghi chirurgici extra-affilati, stent, e giunti o impianti artificiali perché le leghe possono essere ultra dure, extra forte, molto liscio e resistente alla corrosione.

Mentre una combinazione di tentativi ed errori e ricerca scientifica ha contribuito a perfezionare i processi di produzione del vetro nel tempo, controllare la creazione di vetri metallici a livello atomico rimane un'impresa inesatta informata in gran parte da una lunga esperienza e intuizione.

"Il nostro lavoro, "dice Paul Voyles, "è costruire una comprensione fondamentale aggiungendo più dati".

Il professore Beckwith-Bascom in scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison, Voyles e collaboratori a Madison e alla Yale University hanno compiuto significativi passi avanti sperimentali nella comprensione di come, quando e dove gli atomi in costante movimento nel metallo fuso si "bloccano" in posizione mentre il materiale passa dal vetro liquido al vetro solido.

Hanno descritto ciò che hanno osservato su come quegli atomi si riorganizzano a diverse temperature nel tempo oggi (19 marzo, 2018) sulla rivista Comunicazioni sulla natura . È la conoscenza che può aggiungere la necessaria chiarezza sperimentale a diverse teorie in competizione su come quel processo, chiamata transizione vetrosa, si verifica. Potrebbe anche aiutare a ridurre i tempi e i costi associati allo sviluppo di nuovi materiali in vetro metallico, e fornire ai produttori una visione più approfondita della progettazione dei processi.

Una sfida di elaborazione è che quando i metalli passano dal liquido fuso al solido, tendono a formarsi ordinatamente, strutture atomiche che si ripetono regolarmente chiamate cristalli. In contrasto, i materiali di vetro hanno una struttura atomica altamente disordinata. E mentre rendere un vetro metallico ad alte prestazioni suona semplice come impedire agli atomi di metallo di formare cristalli mentre il materiale si raffredda, in realtà, dipende un po' dalla fortuna del sorteggio.

"Il processo che fa un vetro e il processo che fa competere un cristallo tra loro, e quello che vince - quello che avviene a un ritmo più veloce - determina il prodotto finale, "dice Voyles, il cui lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

In un liquido, tutti gli atomi si muovono sempre uno accanto all'altro. Quando un metallo fuso si raffredda, e inizia la sua transizione verso un solido, i suoi atomi rallentano e alla fine smettono di muoversi.

È una complicata danza a livello atomico che gli scienziati stanno ancora svelando. Attingendo alla loro esperienza in microscopia elettronica e analisi dei dati, Voyles e i suoi collaboratori hanno misurato quanto tempo ci vuole, in media, per un atomo di guadagnare o perdere atomi adiacenti mentre il suo ambiente fluttua nel liquido fuso.

"Un atomo è circondato da un mucchio di altri atomi, " dice Voyles. "A temperature molto alte, rimbalzano e ogni picosecondo (un trilionesimo di secondo), hanno una nuova serie di vicini. Al diminuire della temperatura, rimangono con i loro vicini sempre più a lungo finché non si attaccano in modo permanente".

Ad alte temperature, gli atomi si muovono tutti velocemente. Quindi, mentre il liquido si raffredda, si muovono più lentamente; una semplice descrizione potrebbe essere che tutti gli atomi rallentano insieme, allo stesso ritmo, finché non smettono di muoversi e il materiale diventa un vetro solido.

"Ora abbiamo dimostrato sperimentalmente che non è ciò che accade, "dice Voyles.

Piuttosto, lui dice, gli esperimenti del suo team hanno confermato che il tempo necessario agli atomi per bloccarsi in posizione varia ampiamente - almeno di un ordine di grandezza - da un luogo all'altro all'interno dello stesso liquido.

"Alcune regioni di dimensioni nanometriche diventano prima "appiccicose" e trattengono i loro vicini per molto tempo, considerando che tra i bit appiccicosi ci sono bit che si muovono molto più velocemente, " dice. "Continuano a fluttuare 10 volte più velocemente che nelle parti lente e poi tutto diventa più lento, ma anche le parti appiccicose diventano più grandi fino a quando le parti appiccicose "vincono" e il materiale diventa solido".

Ora, lui ei suoi collaboratori stanno lavorando per capire come differiscono gli arrangiamenti atomici tra le parti lente e veloci.

"Questo è il prossimo grande pezzo mancante del puzzle, " lui dice.

L'anticipo fornisce preziose informazioni sul processo fondamentale attraverso il quale ogni materiale di vetro - dal vetro delle finestre alle bottiglie di plastica ai preparati farmaceutici e molti altri - passa da liquido a solido, dice Voyles.

"Questa è davvero una scienza di base, " dice. "Ma l'impatto potenziale finale per le applicazioni è se comprendiamo davvero come funziona a livello atomico, questo ci dà l'opportunità di costruire un controllo che ci consente di creare occhiali da ciò che vogliamo invece di ottenere occhiali solo quando siamo fortunati".