Fisica del vetro, un passo avanti verso la sua comprensione

fisica del vetro

Rappresentazione del sistema modello cg fisica del vetro. Credits: Wenjie Xia.

Il vetro, non è un solido ma non è nemmeno un liquido. Il motivo è questo: il vetro non è un solido ordinario ma non è nemmeno un liquido.

Si trova da qualche parte nel mezzo, uno strano ibrido conosciuto come un solido amorfo; qualcosa che è solido al tatto ma, a livello atomico, si comporta in realtà più come un liquido. Recentemente sembrerebbe esserci stata una svolta da parte di un gruppo di ricercatori americani, ora più che mai potremmo riuscire a comprendere ciò che sta accadendo sotto la superficie del vetro attraverso un nuovo algoritmo che è in grado di aiutare a prevedere le proprietà del vetro dipendenti dalla temperatura del vetro stesso.

Verso la capacità di prevedere come si comportano diversi tipi di vetro a temperature differenti
Questo significa che abbiamo compiuto un grande passo verso la capacità di prevedere come i diversi tipi di vetro si comportano a temperature diverse, questo aspetto a sua volta potrebbe aiutarci a capire più velocemente i modi migliori per scoprire nuovi tipi di materiali e capire perché il vetro esiste. «Anche se il vetro sembra un materiale semplice, si tratta di un materiale molto strano» scrive Sinan keten ricercatore che si occupa dello studio dei materiali alla Northwestern University.

«È amorfo e non ha una struttura in equilibrio, quindi è in continua evoluzione per via dei movimenti lenti compiuti dalle sue molecole». A causa di questi movimenti a livello molecolare, il vetro non arriva mai allo stato solido in cui gli atomi si dispongono in una struttura cristallina ordinata e prevedibile.

Dopo più di 1000 anni il vetro potrebbe giungere (teoricamente) a uno stato ideale di equilibrio a livello molecolare
In teoria, con il trascorrere del tempo, il vetro potrebbe arrivare un giorno a raggiungere il suo stato ideale di equilibrio; servirebbe comunque un tempo straordinariamente lungo, gli scienziati ritengono che questo stato potrebbe giungere dopo più di secoli a causa della lentezza dei processi atomici. Nonostante ciò questa situazione potrebbe non arrivare mai a causa di un altro fattore molto importante, la temperatura. Il vetro (ovviamente per vetro si intende sia quello a base di silice sia tutti gli altri tipi di materiali cristallini amorfi come i polimeri) è anche molto suscettibile ai cambiamenti di temperatura, il che rende ancora più improbabile la realizzazione dello stato ideale di stabilità a livello molecolare. Il calore è uno dei fattori che innesca ciò che è noto come transizione vetrosa, in cui solidi amorfi riscaldati cambiano dal loro stato duro verso una forma più simile ad un liquido, viscoso.

Cosa rende la fisica dei diversi tipi di vetro difficile da determinare?
Questo è una caratteristica fantastica (e reversibile), ma c’è qualcos’altro che rende la fisica dei diversi tipi di vetro difficile da determinare. «A causa della natura amorfa e disordinata del vetro, le sue proprietà potrebbero variare con la temperatura in maniera sostanziale, rendendo la previsione del suo comportamento fisico estremamente difficile» scrive Wenjie Xia ingegnere presso la North Dakota State University. «Abbiamo trovato un nuovo modo per risolvere questo problema» aggiunge Xia.

Una delle sfide che caratterizzano la scienza dei materiali è concepire diverse modalità per simulare il comportamento di differenti tipi di materiali vetrosi non appena questi vengono riscaldati. L’esecuzione di questo tipo di calcoli richiede molto tempo a causa della complessità molecolare della struttura disordinata e variabile del vetro.

Un nuovo algoritmo che sfrutta la modellazione “a grana grossa”
Attraverso l’impiego di un nuovo algoritmo che sfrutta la modellazione “a grana grossa” (CG, Coarse-grained) i ricercatori affermano di essere riusciti ad accelerare il processo di circa mille volte. La tecnica ha raggiunto questo risultato facendo un passo indietro. Cosa vuol dire aver fatto un passo indietro?

Invece di cercare di calcolare la posizione e i legami molecolari di ogni singolo atomo, l’algoritmo di rinormalizzazione dell’energia sviluppato dai ricercatori prova soltanto a calcolare gruppi di atomi, questo porta ad avere una visione più ampia dell’entropia e dell’entalpia che colpisce il sistema. Tale approccio è stato sperimentato con tre diversi tipi di polimeri vetrosi come polibutadiene, polistirolo e policarbonato: i risultati dei test hanno mostrato che le simulazioni a grana grossa corrispondevano accuratamente con il modo in cui questi materiali si comportano nel mondo reale.

«Spiegare la fisica del vetro è stato notoriamente uno dei problemi più grandi che gli scienziati non sono stati in grado di risolvere» scrive Keten.

«Ci stiamo avvicinando alla comprensione del comportamento del vetro e alla soluzione di tale mistero».

Lo studio “Energy renormalization for coarse-graining polymers having different segmental structures” condotto dai ricercatori è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.

lswn.it

 

Fisica del vetro, un passo avanti verso la sua comprensione ultima modifica: 2019-05-10T17:24:21+02:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)