Uno studio si avvicina alla soluzione del mistero della forza sconcertante del vetro

Un comune vetro di finestra, o un bicchiere, potrebbero frantumarsi abbastanza facilmente ma il vetro solido è in realtà molto più rigido e resistente di quanto dovrebbe essere tecnicamente, se consideriamo la sua composizione molecolare.

Ora, gli scienziati si sono avvicinati a rivelare la fonte di questa forza segreta.

Utilizzando un modello di computer di nuova generazione per capire come agiscano le particelle atomiche nel vetro per tenerlo insieme, nonostante la mancanza di una struttura ordinata convenzionalmente, un nuovo studio osserva che queste particelle possono mettere in posizione una spina dorsale che trasporta la forza prima che il vetro si raffreddi completamente da un stato instabile e viscoso.

I calcoli hanno mostrato che lo scheletro delle particelle all’interno del vetro viscoso raggiungono con successo la soglia di percolazione, il punto in cui questa rete di particelle è abbastanza densa da supportare il materiale e mantenerlo forte.

Quando un materiale granulare viene compresso così tanto da formare un solido, si pensi alla compattazione di granelli di sabbia, per esempio, i ricercatori descrivono il solido risultante come un “sistema inceppato“ . Questi sistemi hanno alcune somiglianze con ciò che accade nel raffreddamento del vetro e il team ha utilizzato il proprio modello di computer per confrontare i due.

“A temperatura zero, un sistema inceppato mostrerà correlazioni a lungo raggio nello stress a causa della sua rete di percolazione interna”, afferma il fisico Hua Tong, dell’Università Jiao Tong di Shanghai in Cina. “Questa simulazione ha dimostrato che lo stesso vale per il vetro anche prima che si sia completamente raffreddato“.

Il vetro fa parte di un gruppo di solidi amorfi che mancano del normale ordine a lungo raggio e del modello reticolare nei loro atomi e molecole che si trovano nei cristalli, nonostante siano altrettanto forti nella forma raffreddata.

Quelle particelle portanti la forza devono prima diffondersi o filtrare attraverso il materiale e questo studio evidenzia come avviene la percolazione mentre il materiale subisce la transizione vetrosa. Le particelle, in questa rete critica, devono essere collegate da almeno due forti legami, spiegano gli scienziati, a quel punto può formarsi una rete che collega insieme l’intero sistema, anche se la maggior parte della disposizione molecolare è disordinata.

Il vetro è uno dei materiali più affascinanti per gli scienziati, anche perché cambia molto a seconda che sia riscaldato o raffreddato. Potrebbe anche rappresentare un nuovo stato della materia a temperature molto basse.

Gli studi hanno persino dimostrato che il vetro apparentemente sfida le leggi della termodinamica, confondendo le previsioni scientifiche su come dovrebbe comportarsi in determinate condizioni. Tutte queste scoperte fanno sì che lo studio del vetro non riguardi solo il vetro stesso, ma tutto ciò che sappiamo essere vero in fisica.

Lo sviluppo di un vetro più resistente, più rigido e di lunga durata è utile in tutti i tipi di prodotti, dalle pentole agli smartphone, e i ricercatori sperano che le loro scoperte portino a nuove innovazioni pratiche per questo materiale, nonché a test di laboratorio più dettagliati.

“Le nostre scoperte potrebbero aprire una strada verso una migliore comprensione dei solidi amorfi da una prospettiva meccanica“, afferma il fisico Hajime Tanaka , dell’Università di Tokyo.