I fisici di Darmstadt stanno studiando i processi di invecchiamento dei materiali. Per la prima volta hanno misurato il ticchettio di un orologio interno in vetro. Valutando i dati, hanno scoperto un fenomeno sorprendente.
Sperimentiamo che il tempo abbia una sola direzione. Chi ha mai visto una tazza rompersi sul pavimento, per poi ricomporsi spontaneamente? Per i fisici questo non è immediatamente evidente perché le formule che descrivono i movimenti si applicano indipendentemente dalla direzione del tempo.
Il video di un pendolo che oscilla senza ostacoli, ad esempio, apparirebbe identico anche se corresse all’indietro. L'irreversibilità quotidiana che sperimentiamo entra in gioco solo attraverso un'ulteriore legge della natura, la seconda legge della termodinamica. Ciò afferma che il disordine in un sistema cresce costantemente. Se però la tazza fracassata si ricomponesse, il disordine diminuirebbe.
Si potrebbe pensare che l’invecchiamento dei materiali sia irreversibile quanto la frantumazione di un vetro. Tuttavia, studiando i movimenti delle molecole nel vetro o nella plastica, i fisici di Darmstadt hanno scoperto che questi movimenti sono reversibili nel tempo se visti da una certa prospettiva.
Il team guidato da Till Böhmer dell'Istituto di fisica della materia condensata dell'Università tecnica di Darmstadt ha pubblicato i suoi risultati in Nature Physics .
Gli occhiali o la plastica sono costituiti da un groviglio di molecole. Le particelle sono in costante movimento, facendole scivolare in nuove posizioni ancora e ancora. Sono costantemente alla ricerca di uno stato energetico più favorevole, che cambia le proprietà del materiale nel tempo:il vetro invecchia.
Nei materiali utili come il vetro delle finestre, tuttavia, ciò può richiedere miliardi di anni. Il processo di invecchiamento può essere descritto dal cosiddetto “tempo materiale”. Immaginatelo così:il materiale ha un orologio interno che ticchetta diversamente dall'orologio sulla parete del laboratorio. Il tempo materiale scorre a una velocità diversa a seconda della velocità con cui le molecole all'interno del materiale si riorganizzano.
Da quando il concetto è stato scoperto, circa 50 anni fa, però, nessuno è riuscito a misurare il tempo materiale. Ora, i ricercatori di Darmstadt guidati dal Prof. Thomas Blochowicz lo hanno fatto per la prima volta.
"È stata un'enorme sfida sperimentale", afferma Böhmer. Le minuscole fluttuazioni delle molecole dovevano essere documentate utilizzando una videocamera ultrasensibile. "Non puoi semplicemente guardare le molecole oscillare", aggiunge Blochowicz.
Eppure i ricercatori hanno notato qualcosa. Hanno diretto un laser sul campione di vetro. Le molecole al suo interno diffondono la luce. I raggi sparsi si sovrappongono e formano uno schema caotico di punti chiari e scuri sul sensore della fotocamera. È possibile utilizzare metodi statistici per calcolare come variano le fluttuazioni nel tempo, in altre parole, quanto velocemente batte l'orologio interno del materiale. "Ciò richiede misurazioni estremamente precise, possibili solo utilizzando videocamere all'avanguardia", afferma Blochowicz.
Ma ne è valsa la pena. L'analisi statistica delle fluttuazioni molecolari, alla quale hanno contribuito i ricercatori dell'Università di Roskilde in Danimarca, ha rivelato alcuni risultati sorprendenti. In termini di tempo materiale, le fluttuazioni delle molecole sono reversibili nel tempo. Ciò significa che non cambiano se si lascia scorrere il tempo materiale all'indietro, in modo simile al video del pendolo, che appare uguale se riprodotto avanti e indietro.
"Tuttavia ciò non significa che l'invecchiamento dei materiali possa essere invertito", sottolinea Böhmer. Il risultato conferma piuttosto che il concetto di tempo materiale è azzeccato perché esprime tutta la parte irreversibile dell’invecchiamento della materia. Il suo ticchettio incarna il passare del tempo per il materiale in questione.
Tutto il resto che si muove nel materiale in relazione a questa scala temporale non contribuisce all'invecchiamento. Così come, metaforicamente parlando, i bambini che giocano sul sedile posteriore di un'auto non contribuiscono al suo movimento.
I ricercatori di Darmstadt ritengono che questo si applichi generalmente ai materiali disordinati, poiché hanno esaminato due classi di materiali, vetro e plastica, e hanno effettuato una simulazione al computer di un materiale modello, con gli stessi risultati.
Il successo dei fisici è solo l'inizio. "Questo ci lascia con una montagna di domande senza risposta", dice Blochowicz. Resta, ad esempio, da chiarire in che misura la reversibilità osservata in termini di tempo materiale sia dovuta alla reversibilità delle leggi fisiche della natura, o come il ticchettio dell'orologio interno differisca per i diversi materiali.
I ricercatori sono ansiosi di indagare ulteriormente, quindi potrebbero verificarsi scoperte più entusiasmanti.
Ulteriori informazioni: Böhmer, T. et al, Reversibilità temporale durante l'invecchiamento dei materiali. Fisica della natura (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
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