Gli scienziati dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per comprendere meglio le proprietà insolite dei solidi amorfi, come il vetro. Hanno scoperto che alcuni difetti dinamici aiutano a spiegare le modalità vibrazionali consentite all'interno del materiale. Questo lavoro può portare al controllo delle proprietà dei materiali amorfi.

A volte il vetro costoso viene pubblicizzato come "cristallo", ma per gli scienziati dei materiali questo non potrebbe essere più lontano dalla verità. I cristalli sono formati da atomi disposti secondo schemi ordinati e ripetuti, mentre il vetro è un solido disordinato e amorfo. Gli scienziati sanno che, a basse temperature, molti materiali disordinati hanno proprietà molto simili tra loro, tra cui il calore specifico e la conducibilità termica. Inoltre, queste proprietà differiscono significativamente da quelle dei materiali realizzati con cristalli ordinati. Inoltre, a una certa gamma di frequenze, i materiali vetrosi hanno un numero maggiore di modalità di vibrazione disponibili rispetto ai cristalli, noti nel campo come "picco del bosone". Sebbene siano state proposte varie teorie, i meccanismi fisici alla base di queste osservazioni sono rimasti una questione di ricerca attiva.

Ora, gli scienziati dell'Università di Tokyo hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer di dinamica molecolare per calcolare numericamente i fattori di struttura dinamica trasversale e longitudinale degli occhiali modello su un'ampia gamma di frequenze. Hanno scoperto che i movimenti vibrazionali simili a corde, in cui le linee curve di particelle impacchettate a forma di "C" all'interno del materiale possono muoversi insieme, sono risultate essere importanti fattori determinanti degli effetti anomali. "Questi difetti dinamici forniscono una spiegazione comune per l'origine delle modalità dinamiche più fondamentali dei sistemi vetrosi", afferma il primo autore Yuan-Chao Hu. Oltre al picco del bosone, questi difetti dinamici simili a stringhe possono commettere i tipi di rilassamento rapido e lento osservati nelle particelle che compongono il vetro.

Questa ricerca ha molte importanti implicazioni sia per la scienza di base che per le applicazioni industriali perché il picco del bosone si trova in molti sistemi, non solo negli occhiali. "Mostriamo che il picco del bosone ha origine da vibrazioni quasi localizzate di difetti dinamici simili a corde", afferma l'autore senior Hajime Tanaka. Essere in grado di spiegare questa caratteristica farà luce su molti altri tipi di materiali disordinati. Andrà anche a vantaggio dei molti utenti di dispositivi intelligenti, perché quasi tutti gli smartphone, tablet e laptop touchscreen si affidano a materiali in vetro che i risultati di questo studio potrebbero migliorare.

Il lavoro è pubblicato su Nature Physics . + Esplora ulteriormente

Fare luce sui sistemi disordinati e frattali