Nel 1972, i fisici J. Michael Kosterlitz e David Thouless hanno pubblicato una teoria rivoluzionaria su come i cambiamenti di fase potrebbero verificarsi nei materiali bidimensionali. Gli esperimenti hanno presto dimostrato che la teoria ha catturato correttamente il processo di un film di elio che passa da un superfluido a un fluido normale, contribuendo a inaugurare una nuova era di ricerca sui materiali ultrasottili, per non parlare di guadagnare Kosterlitz, un professore alla Brown University, e Thouless azioni del Premio Nobel 2016 per la Fisica.

Ma la teoria di Kosterlitz-Thouless (K-T) mirava a spiegare qualcosa di più della transizione superfluida. La coppia sperava anche che potesse spiegare come un solido bidimensionale potesse fondersi in un liquido, ma gli esperimenti finora non sono riusciti a convalidare chiaramente la teoria in quel caso. Ora, una nuova ricerca di un altro gruppo di fisici Brown potrebbe aiutare a spiegare la discrepanza tra teoria ed esperimento.

La ricerca, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , mostra come le impurità - atomi "extra" nella struttura cristallina di un materiale - possono interrompere l'ordine di un sistema e causare l'inizio della fusione prima che la teoria K-T preveda che dovrebbe. I risultati sono un passo verso una teoria fisica più completa della fusione, dicono i ricercatori.

"La transizione solido-liquido è qualcosa che tutti conosciamo, eppure è un profondo fallimento della fisica moderna che ancora non capiamo esattamente come accada, " disse Xinsheng Ling, un professore di fisica alla Brown e autore senior del nuovo articolo. "Ciò che abbiamo dimostrato è che le impurità, che non sono incluse nella teoria K-T ma si trovano sempre nei materiali reali, svolgono un ruolo importante nel processo di fusione".

Mentre i dettagli rimangono un grande mistero, gli scienziati hanno una conoscenza di base di come i solidi si sciolgono. All'aumentare della temperatura, gli atomi nel reticolo cristallino di un solido iniziano a oscillare. Se il tremolio diventa troppo violento perché il reticolo tenga insieme, il solido si fonde in un liquido. Ma come inizia esattamente il processo di fusione e perché inizia in certi punti in un solido invece che in altri non è noto.

Per questo nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato minuscole particelle di polistirene sospese in acqua altamente deionizzata. Le forze elettriche tra le particelle cariche fanno sì che si dispongano in un reticolo cristallino simile al modo in cui gli atomi sono disposti in un materiale solido. Utilizzando un raggio laser per spostare singole particelle, i ricercatori possono vedere come i difetti del reticolo influenzano l'ordine del reticolo.

I difetti possono presentarsi in due forme generali:posti vacanti, dove mancano le particelle, e interstitial, dove ci sono più particelle di quante dovrebbero esserci. Questo nuovo studio ha esaminato in particolare l'effetto degli interstitial, che nessuno studio precedente aveva indagato.

La ricerca ha scoperto che mentre un interstiziale in una data regione ha fatto poca differenza nel comportamento del reticolo, due interstitial hanno fatto una grande differenza.

"Quello che abbiamo scoperto è che due difetti interstiziali rompono la simmetria della struttura in un modo che i singoli difetti non fanno, " Ha detto Ling. "Quella rottura della simmetria porta alla fusione locale prima che K-T preveda."

Questo perché la teoria K-T si occupa di difetti che derivano da fluttuazioni termiche, e non difetti che potrebbero essere già esistiti nel reticolo.

"I materiali veri sono disordinati, " Ha detto Ling. "Ci sono sempre impurità. In poche parole, il sistema non riesce a distinguere quali sono le impurità e quali sono i difetti creati dall'agitazione termica, che porta allo scioglimento prima di quanto previsto."

La tecnica utilizzata per lo studio potrebbe essere utile altrove, dicono i ricercatori. Per esempio, potrebbe essere utile per studiare la transizione del vetro duro in un liquido viscoso, un fenomeno legato alla transizione solido-liquido che manca anche di una spiegazione completa.

"Pensiamo di aver scoperto per caso un nuovo modo per scoprire i meccanismi di rottura della simmetria nella fisica dei materiali, " Ha detto Ling. "Il metodo stesso potrebbe finire per essere la cosa più significativa di questo documento oltre ai risultati".