Occhiali e gel sono due diversi tipi di materiali solidi comunemente utilizzati in un'ampia gamma di ambienti. Nonostante le loro composizioni marcatamente diverse, questi materiali distinti condividono alcune proprietà simili, ad esempio mostrano rigidità senza un ordine di traslazione e una lenta trasformazione nel tempo.
I ricercatori dell’Università di Tokyo hanno recentemente deciso di comprendere meglio le differenze tra occhiali e gel, concentrandosi in particolare sulle loro proprietà elastiche. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , fa luce sull'origine e l'evoluzione dell'elasticità in queste due classi di solidi amorfi.
"La nostra ricerca è iniziata osservando i cambiamenti meccanici unici nei gel colloidali durante l'invecchiamento", ha detto a Phys.org Hajime Tanaka, autore senior dell'articolo. "Sebbene bicchieri e gel abbiano caratteristiche simili ai solidi amorfi, come la rigidità senza ordine e il rallentamento della dinamica durante l'invecchiamento, abbiamo scoperto qualcosa di inaspettato.
"Mentre studiavamo come il modulo elastico dei gel colloidali cambia nel tempo, abbiamo scoperto una tendenza sorprendente:invece di diventare più rigidi nel tempo come i bicchieri, i gel si sono effettivamente ammorbiditi dopo un lungo periodo di invecchiamento, circa due mesi per particelle colloidali da 2 μm."
Nella loro ricerca precedente, Tanaka e i suoi collaboratori hanno raccolto risultati che mettevano in discussione le nozioni esistenti su come i solidi amorfi si evolvono nel tempo. Nello specifico, i loro studi hanno scoperto che le dinamiche di invecchiamento in questi tipi di solidi non sempre portano ad un aumento della rigidità.
"Questa scoperta inaspettata ci ha incuriosito riguardo alle differenze tra occhiali e gel e alle loro cause", ha spiegato Tanaka. "Il nostro studio mirava quindi a scoprire le proprietà elastiche uniche di vetri e gel e a comprenderne le ragioni. Volevamo anche capire come la relazione tra struttura e dinamica influisce sulle proprietà meccaniche dei solidi amorfi."
Per studiare le proprietà elastiche dei vetri e dei gel colloidali, i ricercatori hanno eseguito simulazioni dinamiche di Langevin tridimensionali (3D). Queste simulazioni hanno permesso loro di modellare sia vetri colloidali caratterizzati da particelle repulsive sia gel colloidali con particelle attrattive.
"Abbiamo studiato il processo di invecchiamento di entrambi i sistemi facendoli passare rapidamente da stati di equilibrio a stati fuori equilibrio", ha detto Yinqiao Wang, primo autore dell'articolo. "Per imitare le condizioni sperimentali, abbiamo prima consentito alle particelle di entrambi i sistemi di equilibrarsi allo stato liquido. Successivamente, abbiamo rapidamente aumentato la frazione di impaccamento oltre la soglia di transizione vetrosa per formare vetri colloidali. Al contrario, per i gel colloidali, abbiamo rapidamente abbassato la temperatura ben al di sotto la temperatura di demiscelazione gas-liquido."
Osservando il processo di invecchiamento dei due sistemi modellati, i ricercatori hanno monitorato attentamente l’evoluzione della loro elasticità, tenendo conto anche delle fluttuazioni termiche. Ciò è stato fatto utilizzando deformazioni oscillatorie di piccola ampiezza o risolvendo direttamente la matrice Hessiana.
"Allo stesso tempo, abbiamo analizzato i cambiamenti nella dinamica e nella struttura vibrazionale, inclusi i parametri dell'ordine orientativo e l'anisotropia di Voronoi nei vetri, nonché le connettività su scala di particelle e reti nei gel", ha spiegato Tanaka. "I nostri risultati evidenziano l'intricata interazione tra struttura, dinamica (fluttuazioni termiche) e proprietà elastiche in sistemi disordinati non in equilibrio, concentrandosi su due tipici solidi amorfi:vetri colloidali e gel,"
Tanaka e i suoi colleghi hanno scoperto che mentre vetri e gel condividono alcune proprietà simili ai solidi amorfi non in equilibrio, le loro proprietà elastiche sono marcatamente diverse. Il loro articolo chiarisce anche alcuni dei meccanismi unici alla base dei rispettivi comportamenti di questi due tipi di sistemi.
"Il nostro lavoro non solo fornisce preziose informazioni sulla fisica fondamentale del non equilibrio, ma ha anche implicazioni significative per la scienza dei materiali", ha affermato Tanaka. "Offre una base fisica per distinguere tra occhiali e gel, in particolare in scenari difficili come gli stati non ergodici delle sospensioni di Laponite."
Il recente lavoro di questo gruppo di ricerca contribuisce alla comprensione dei processi fisici alla base dell'elasticità nei vetri e nei gel colloidali. Le nuove informazioni fornite potrebbero presto contribuire alla progettazione e alla produzione di solidi amorfi con le proprietà elastiche desiderate.
"Nella nostra ricerca futura, studieremo approfonditamente le proprietà meccaniche dei solidi amorfi, inclusi materiali granulari, vetri repulsivi/attraenti e gel", ha aggiunto Tanaka. "Il nostro obiettivo è approfondire la nostra comprensione di questi sistemi complessi e disordinati attraverso l'esplorazione sistematica, con l'obiettivo di svelarne i meccanismi sottostanti e le implicazioni nei vari sistemi materiali."
Ulteriori informazioni: Yinqiao Wang et al, Proprietà elastiche distinte e loro origini in vetri e gel, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02456-6
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