Visualizzazione delle eterogeneità dinamiche in una sospensione colloidale vetrosa, ottenuta per differenza di immagini di microscopia ottica con un tempo di ritardo di 25 s. I punti luminosi corrispondono a particelle in rapido movimento. Credito:R. Pastore
La transizione vetrosa è una grande sfida nella fisica della materia condensata e rivela ancora sorprese, nonostante decenni di intense ricerche. Ad esempio, la diffusione nei liquidi vetrosi era fino ad oggi considerata qualitativamente simile a quella dei liquidi convenzionali "caldi", almeno per lunghi tempi di osservazione. Nuova ricerca pubblicata in Lettere di revisione fisica dimostra che non è così:la diffusione a lungo termine nei liquidi vetrosi è infatti "fickiana ma non gaussiana" (FnGD), una caratteristica intrigante precedentemente scoperta nei fluidi complessi e biologici. In contrasto con questi sistemi, tuttavia, FnGD nei liquidi vetrosi diventa drammatico quando si avvicina alla transizione vetrosa e sembra essere caratterizzato da leggi di ridimensionamento universali. Lo studio, combinando esperimenti e simulazioni, è stato condotto da Francesco Rusciano (dottorando), Raffaele Pastore e Francesco Greco presso il gruppo di Meccanica Statistica dei Materiali Morbidi dell'Università degli Studi di Napoli Federico II.
Il problema della transizione vetrosa
Dopo decenni di sforzi sperimentali e teorici da parte di un'ampia comunità scientifica, la transizione vetrosa rimane ancora un grande problema aperto nel campo della materia condensata e dei sistemi complessi, come dimostra il Premio Nobel recentemente assegnato a Giorgio Parisi, una delle figure di spicco della questo argomento. Ma cos'è un bicchiere? In breve, quando un liquido molecolare viene rapidamente raffreddato al di sotto della sua temperatura di fusione, la cristallizzazione può essere evitata. In questo stato, tuttavia, anche modesti cali di temperatura fanno aumentare la viscosità di ordini di grandezza e alla fine portano al "vetro", un materiale meccanicamente solido pur mantenendo la struttura microscopica disordinata tipica di un liquido. Pertanto, la transizione vetrosa sfida un presupposto fondamentale nella materia condensata, vale a dire che la struttura microscopica e la risposta meccanica di un materiale sono strettamente correlate. È interessante notare che la transizione vetrosa non è prerogativa dei soli liquidi molecolari, ma si verifica anche in altri sistemi, come le sospensioni colloidali a concentrazione crescente. Mentre lo sviluppo di una teoria globale per la vetrificazione è ancora oggetto di un dibattito attivo, è ora chiaro che un ruolo importante è svolto dalla presenza di eterogeneità dinamica, ovvero la coesistenza di lunga durata di gruppi di veloci e lenti particelle in movimento. I liquidi vetrosi sono infatti considerati un modello paradigmatico di eterogeneità dinamica.
Diffusione fickiana non gaussiana
Mentre la transizione vetrosa è un problema di vecchia data, FnGD è molto più recente. La diffusione delle particelle nei liquidi convenzionali e in molti altri sistemi è caratterizzata da una particella Mean Square Displacement (MSD) crescente linearmente nel tempo (Fickian) e da una distribuzione di spostamento gaussiana, come previsto dal celebre lavoro di Einstein sul moto browniano e la sua interpretazione in termini di passeggiata casuale. Tuttavia, in alcuni sistemi, come le reti in fibra o i materiali porosi, la diffusione risulta essere non Fickiana e non gaussiana, ed è quindi definita "diffusione anomala". A causa di queste osservazioni, si pensava che i comportamenti fickiani e gaussiani si verificassero insieme o non si verificassero affatto.
Questa aspettativa comune è stata infranta nel 2009 da esperimenti rivoluzionari presso il gruppo di Granick (Università di Urbana, Illinois), che hanno rivelato l'esistenza di un nuovo tipo di diffusione, essendo allo stesso tempo fickiano ma non gaussiano. Dalla sua scoperta nei fluidi biologici, FnGD è stato trovato in un'ampia varietà di sistemi di materia soffice, ma la sua comprensione rimane ancora sfuggente. Tuttavia, l'emergere di FnGD è genericamente associato a qualche eterogeneità strutturale o dinamica dell'ambiente in cui le particelle si muovono.
Diffusione fickiana non gaussiana in liquidi vetrosi
La diffusa concomitanza di eterogeneità e FnGD ha motivato i ricercatori dell'Università di Napoli Federico II a ricercare la possibile presenza di FnGD nei liquidi vetrogeni, l'epitome dell'eterogeneità dinamica, attingendo a esperimenti su sospensioni colloidali e simulazioni di liquidi molecolari. Lo studio dimostra che FnGD non è solo presente nei liquidi vetrosi, ma diventa anche molto marcato e duraturo quando ci si avvicina alla transizione vetrosa. Lo studio mostra anche che le leggi di potenza universali catturano la relazione tra le scale temporali per l'inizio della Fickianità e per il ripristino della gaussianità, nonché la dipendenza dal tempo delle code esponenziali delle distribuzioni di spostamento.
Nel complesso, questi risultati aprono la strada a una fertilizzazione incrociata di idee tra i due problemi di FnGD e transizione vetrosa. Da un lato, FnGD è la chiave per comprendere la diffusione a lungo termine nei liquidi vetrosi e per rivisitare concetti consolidati, come quello dell'eterogeneità dinamica. D'altra parte, la forte firma di FnGD appena trovata nei liquidi vetrosi può probabilmente rappresentare un punto di riferimento per studi futuri di FnGD in altri sistemi. + Esplora ulteriormente
