I ricercatori dell'UAB e dell'ICN2 hanno sviluppato una metodologia che consente per la prima volta di osservare al microscopio, in tempo reale, cosa succede quando il vetro viene riscaldato e passa a una fase liquida superraffreddata, nota come "transizione vetrosa". " La ricerca, pubblicata su Nature Physics , è di grande importanza per la crioconservazione di proteine, cellule e tessuti viventi, per la produzione di farmaci e dispositivi elettronici e per l'ingegneria dei tessuti, dove questa transizione da vetro a liquido gioca un ruolo chiave.
Il vetro è un materiale solido con una struttura talmente disordinata da poter essere considerato un liquido di viscosità straordinariamente elevata. Si trova nelle vetrate trasparenti e colorate, negli schermi televisivi e nei dispositivi mobili, nelle fibre ottiche, nei materiali plastici industriali e anche nello stato di proteine, strutture cellulari e tessuti viventi quando congelati per la crioconservazione.
Nonostante siano così comuni, è molto difficile sviluppare teorie e modelli che possano spiegare nel dettaglio il loro comportamento. I meccanismi attraverso i quali un liquido si raffredda e si trasforma in un vetro e, viceversa, il modo in cui un vetro si trasforma in un liquido quando riscaldato, un fenomeno noto come "transizione vetrosa", non sono ancora del tutto chiari.
I fisici non sono ancora sicuri se si tratti di una transizione di fase e il vetro possa essere considerato come uno stato termodinamico distinto dagli stati liquido e solido; o se il vetro sia semplicemente un liquido superraffreddato – raffreddato al di sotto della temperatura di congelamento ma che conserva le proprietà del liquido – i cui atomi o molecole hanno pochissima mobilità. Una delle maggiori difficoltà nella comprensione di questo processo risiede nella difficoltà di visualizzarlo al microscopio con una risoluzione sufficiente, poiché le strutture del liquido superraffreddato e del vetro sono praticamente indistinguibili.
Un team guidato da ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) e dell'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia (ICN2), con il coinvolgimento dell'UPC e dell'IMB-CNM-CSIC, ha presentato una nuova metodologia che permette di osservare direttamente al microscopio cosa succede in un vetro quando viene riscaldato al di sopra della temperatura di transizione vetrosa, noto come processo di "rilassamento" che lo trasforma in un liquido.
I ricercatori hanno lavorato con vetro organico ultrastabile, preparato mediante evaporazione termica. Sono più densi e presentano una maggiore stabilità cinetica e termodinamica rispetto al vetro convenzionale ottenuto direttamente dai liquidi. A differenza del vetro convenzionale che, come visto finora, si trasforma allo stato liquido globalmente, senza chiare distinzioni tra le diverse regioni del materiale, questo vetro ultra-stabile passa allo stato liquido superraffreddato in modo simile a come fanno i solidi cristallini quando passano allo stato liquido. lo stato liquido, con la formazione di zone in fase liquida che diventano progressivamente più grandi.
Questo è un processo che è stato già descritto indirettamente mediante misurazioni nanocalorimetriche ed è stato osservato solo in modelli computazionali. "In precedenza si era già dedotto da questi modelli che le aree di fase liquida prodotte presentano una straordinaria separazione tra loro quando si tratta di vetro ultrastabile, ma questo non era mai stato osservato direttamente", spiega Cristian Rodriguez Tinoco, ricercatore presso l'UAB e l'ICN2.
Il nuovo metodo sviluppato per osservare questa transizione consiste nell’inserire il vetro ultrastabile tra due strati di vetro con una temperatura di transizione più elevata. Quando lo strato di vetro ultrastabile viene riscaldato al di sopra della sua temperatura di transizione, le instabilità che si verificano sulla superficie vengono trasferite agli strati esterni del sandwich e possono essere osservate direttamente con un microscopio a forza atomica.
"Si tratta di movimenti e compressioni molto piccoli, dell'ordine di pochi nanometri quando inizia la trasformazione, ma abbastanza grandi da poter essere misurati con precisione con un microscopio di questo tipo, che monitora in situ le deformazioni superficiali che compaiono al di sopra della temperatura di transizione", spiega il dottorato studentessa Marta Ruiz Ruiz.
Il lavoro permette di seguire in tempo reale la devetrificazione del vetro. Permette di quantificare la dinamica del processo di rilassamento in cristalli ultrastabili verso un liquido sottoraffreddato misurando direttamente le distanze tra i domini liquidi che compaiono, osservando la deformazione della superficie e la sua evoluzione nel tempo. In questo modo è stato possibile confermare come queste distanze tra aree liquide siano straordinariamente grandi in questo tipo di vetro, e la correlazione di queste distanze con le scale temporali del materiale, come previsto dai modelli computazionali.
"La descrizione microscopica che abbiamo ottenuto ha reso possibile per la prima volta un confronto diretto tra modelli computazionali e realtà fisica. Crediamo che questa tecnica sarà molto utile anche per esplorare la transizione vetrosa su scale temporali e spaziali più piccole, il che consentirà una migliore comprensione della transizione nel vetro meno stabile prodotto da liquidi raffreddati," conclude Javier Rodríguez Viejo, ricercatore presso l'UAB e l'ICN2.
Ulteriori informazioni: Marta Ruiz-Ruiz et al, Microscopia in tempo reale del rilassamento di un vetro, Fisica naturale (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02125-0
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
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