Quando un materiale solido viene riscaldato, i suoi atomi iniziano a vibrare con energia crescente. Ad una temperatura specifica, chiamata punto di fusione, le vibrazioni diventano così intense che gli atomi si liberano dalle loro posizioni fisse e il materiale passa allo stato liquido. Tuttavia, l’esatta sequenza degli eventi che si verificano durante questa transizione è rimasta sfuggente, principalmente a causa dei tempi estremamente brevi coinvolti.
Per superare questa sfida, i ricercatori guidati dal professor John Botha dell’Università di Amburgo in Germania, hanno utilizzato una tecnica avanzata a raggi X chiamata spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X (XPCS). Generando impulsi di raggi X ultraveloci e analizzando i raggi X sparsi, sono stati in grado di sondare i cambiamenti strutturali transitori in un campione di rame solido sottoposto a un improvviso salto di temperatura.
I loro risultati mostrano una notevole catena di eventi che si svolgono in tempi ultraveloci. Le fasi iniziali della fusione comportano la nucleazione di goccioline liquide all'interno del rame solido. Queste goccioline crescono rapidamente e si uniscono, erodendo gradualmente l'ordine cristallino finché l'intero materiale non si trasforma in uno stato liquido.
È interessante notare che la tecnica XPCS non si limita a catturare la transizione di fase nel materiale sfuso ma rivela anche informazioni cruciali sul comportamento in prossimità delle interfacce solido-liquido. Queste interfacce mostrano dinamiche uniche, in cui gli atomi mostrano caratteristiche sia solide che liquide. comprendere questi effetti interfacciali è vitale per acquisire conoscenze in varie aree della fisica e della scienza dei materiali, che vanno dai fenomeni di fusione alla crescita dei cristalli.
Al di là delle implicazioni per la scienza fondamentale, questa ricerca ha implicazioni di ampia portata per settori quali la lavorazione dei materiali, la metallurgia e persino la biologia. Ad esempio, il controllo della velocità delle transizioni di fase è fondamentale nei processi di produzione che comportano la fusione e la solidificazione dei materiali. Svelando le dinamiche sottostanti, si possono ottenere progressi nello sviluppo di materiali migliorati con proprietà personalizzate, rivoluzionando potenzialmente le industrie.
Inoltre, come suggerisce il professor Botha, lo studio delle transizioni di fase può anche far luce su fenomeni che vanno oltre la fisica della materia condensata. Fenomeni come le transizioni vetrose e persino le transizioni di fase biologica, osservate in sistemi complessi come le cellule, possono condividere somiglianze con queste fondamentali dinamiche di fusione. La ricerca per comprendere le transizioni di fase, a quanto pare, va ben oltre la transizione solido-liquido nel rame, aprendo strade per rivelazioni rivoluzionarie in tutto lo spettro scientifico.
