I FISICI sono più vicini a capire perché i materiali, come il ghiaccio e il metallo, si sciolgono quando riscaldati, grazie a una nuova teoria sviluppata dai ricercatori dell'Università della Pennsylvania.

Il lavoro innovativo, pubblicato sulla prestigiosa rivista Science, fa luce su un mistero fondamentale che ha sconcertato gli scienziati per secoli.

Comprendere lo scioglimento su scala atomica è fondamentale, poiché è alla base di una serie di fenomeni, dal cambiamento climatico alla funzionalità dei dispositivi elettronici come gli smartphone.

L'ENIGMA DELLA SCIOGLIMENTO

Immagina di mettere il ghiaccio in una stanza calda e di osservarlo trasformarsi lentamente in acqua liquida, un fenomeno che diamo per scontato nella vita di tutti i giorni.

A livello atomico, questo processo comporta la riorganizzazione della struttura cristallina ordinata del ghiaccio in uno stato liquido più disordinato. L'energia termica, fornita dalla stanza calda, fornisce la spinta necessaria per superare le forze che tengono gli atomi o le molecole fissati nelle loro posizioni cristalline, consentendo loro di fluire liberamente l'uno accanto all'altro.

Gli scienziati hanno cercato a lungo una comprensione dettagliata di questo processo, una descrizione che tenga conto delle condizioni specifiche necessarie per causare lo scioglimento. Perché, ad esempio, il ghiaccio si scioglie a una temperatura specifica, mentre i metalli come il rame fondono a temperature molto più elevate?

La risposta sta nella forza dei legami interatomici, le forze che tengono insieme gli atomi o le molecole in un solido.

Nei solidi, queste forze sono abbastanza forti da mantenere gli atomi bloccati sul posto, formando strutture cristalline regolari. All’aumentare della temperatura, l’energia aggiunta fa sì che gli atomi vibrino più vigorosamente, indebolendo gradualmente questi legami.

Una volta che l'energia vibrazionale supera la forza dei legami, la struttura cristallina collassa e il materiale si scioglie, passando dallo stato solido a quello liquido.

UNA NUOVA TEORIA E ATOMI EXTRA-LARGI

Sebbene questa comprensione generale della fusione esista da tempo, gli scienziati hanno faticato a sviluppare una teoria precisa in grado di prevedere con precisione la temperatura di fusione di diversi materiali.

Il problema sorge perché la forza dei legami interatomici dipende non solo dal materiale stesso ma anche dagli intricati dettagli di come gli atomi sono disposti nel reticolo cristallino:un problema complesso da affrontare teoricamente.

La nuova teoria, formulata da un team guidato da Gregory G. Barba, Ph.D., professore assistente presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn, aggira questa complessità introducendo un nuovo approccio.

"La nostra teoria si ispira a una classe insolita di materiali chiamati colloidi molli", afferma Barba. "Sono come atomi di grandi dimensioni con diametri centinaia di volte più grandi degli atomi normali."

In questi colloidi molli, le forze che agiscono tra le particelle si comportano in modo più semplice rispetto a quelle dei materiali convenzionali, rendendoli più facili da studiare e comprendere.

Analizzando il modo in cui queste particelle giganti interagiscono e si fondono, i ricercatori hanno ottenuto informazioni chiave che hanno poi applicato per sviluppare una teoria generale della fusione.

La loro teoria si basa sul concetto di “temperatura effettiva”, una misura della forza con cui gli atomi vibrano all’interno del reticolo cristallino.

Quando la temperatura effettiva di un materiale supera un valore critico, i legami interatomici non riescono più a tenere insieme la struttura cristallina, portandola alla fusione.

"La nostra teoria fornisce una descrizione matematica precisa del processo di fusione", afferma Barba.

"Ci permette di prevedere la temperatura di fusione di diversi materiali considerando solo alcune caratteristiche chiave delle loro interazioni atomiche, come la forza e la gamma delle forze tra di loro."

METALLI FUSIONE

I ricercatori hanno testato la loro teoria analizzando il comportamento di fusione di una serie di materiali, dai cristalli semplici ai metalli complessi. Hanno trovato un eccellente accordo tra le loro previsioni teoriche e le misurazioni sperimentali.

"Il nostro lavoro rivela che il comportamento di fusione di materiali diversi può essere compreso attraverso un principio di base comune", afferma Barba.

"Sbloccando questo principio, otteniamo una comprensione più fondamentale del motivo per cui i materiali si fondono e, potenzialmente, di come manipolare le loro proprietà."

IMPLICAZIONI E DIREZIONI FUTURE

I ricercatori ritengono che il loro lavoro possa aprire la strada a numerose applicazioni, inclusa la progettazione di nuovi materiali con proprietà di fusione su misura per esigenze tecnologiche specifiche.

Ad esempio, le loro scoperte potrebbero aiutare nello sviluppo di materiali con punti di fusione più elevati da utilizzare in ambienti estremi, come componenti aerospaziali o reattori nucleari.

Barba e i suoi colleghi intendono perfezionare ulteriormente la loro teoria ed estenderla per studiare fenomeni di fusione più complessi, compreso il comportamento delle miscele e gli effetti della pressione sulla fusione.

"Il nostro lavoro apre nuove strade di esplorazione nel campo della scienza dei materiali", afferma Barba.

“Svelando i meccanismi fondamentali alla base della fusione, siamo pronti a compiere progressi significativi nella progettazione e nell’ingegneria dei materiali”.