Nel campo della scienza dei materiali, comprendere la solidificazione dei materiali è fondamentale per varie applicazioni, come la produzione del vetro, la lavorazione dei metalli e la crescita dei cristalli. Uno studio recente ha fatto luce su un’osservazione fondamentale in questo campo:minuscole goccioline di metallo impiegano più tempo a solidificarsi in vetro rispetto alle loro controparti più grandi. Questo fenomeno, noto come comportamento di solidificazione dipendente dalle dimensioni, ha importanti implicazioni per la progettazione e la lavorazione di materiali avanzati.

Il gruppo di ricerca, guidato da scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha condotto esperimenti utilizzando goccioline di metallo liquido a base di gallio. Controllando con precisione la dimensione delle goccioline e misurando il tempo di solidificazione, hanno osservato che le goccioline più piccole si solidificavano a velocità significativamente più lente rispetto alle goccioline più grandi. Questo comportamento è stato attribuito agli effetti superficiali che diventano più evidenti al diminuire della dimensione delle goccioline.

Nelle goccioline più piccole, il rapporto tra superficie e volume aumenta, portando ad una maggiore energia superficiale. Questa energia in eccesso agisce come una barriera, ostacolando la nucleazione e la crescita delle strutture cristalline all'interno della gocciolina. Di conseguenza, lo stato liquido è più stabile e il processo di solidificazione viene ritardato.

I ricercatori hanno anche scoperto che il comportamento di solidificazione delle goccioline è influenzato dalla velocità di raffreddamento. In condizioni di raffreddamento rapido, le goccioline tendono a formare uno stato vetroso, privo dell'ordine a lungo raggio dei cristalli. Questo perché il rapido raffreddamento impedisce agli atomi di riorganizzarsi in strutture ordinate, risultando in uno stato liquido congelato.

D’altra parte, velocità di raffreddamento più lente concedono alle goccioline tempo sufficiente per superare la barriera di energia superficiale e nucleare le strutture cristalline. Ciò porta alla formazione di una struttura policristallina, caratterizzata dalla presenza di molteplici piccoli cristalli all'interno della goccia solidificata.

I risultati di questo studio forniscono preziose informazioni sul comportamento di solidificazione dei materiali in base alle dimensioni. Comprendendo e controllando questi effetti, gli scienziati possono personalizzare le proprietà e le strutture dei materiali su scala nanometrica, aprendo nuove strade per la progettazione dei materiali e materiali funzionali avanzati.