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Sorpresa: moti locali che persistono anche nella fase vetrosa.

Una serie di esperimenti recenti, fatti tramite una tecnica relativamente nuova, detta spettroscopia di correlazione di fotoni X (XPCS) hanno dimostrato, in un vetro silicato, che sulla scala atomica esistono dinamiche veloci. E’ un risultato inatteso, visto che il vetro è comunemente descritto come uno stato di arresto dinamico, in cui i tempi di rilassamento sono troppo lunghi per essere osservabili su una scala “umana”. Sorprendentemente, queste dinamiche resistono al raffreddamento, persistendo  anche nella fase vetrosa (Nature Communications 5, 3939, 2014, doi: 10.1038/ncomms4939). Ciò modifica la nostra idea della fase vetrosa, ci suggerisce altri esperimenti da fare, oltre a richiedere che i teorici sviluppino nuove teorie microscopiche che ne tengano conto.

E’ comunemente accettato che i vetri strutturali, in particolare quelli che formano networks, come i silicati, abbiano tempi di rilassamento estremamente lunghi per cui, ad esempio, le vetrate delle finestre non cambiano la loro forma negli anni. Uno studio condotto da un team internazionale di ricercatori, inclusi due ricercatori ed uno studente del nostro Dipartimento, ha invece mostrato che il rilassamento strutturale, se viene osservato con una risoluzione spaziale prossima alla scala atomica, è molto più veloce del rilassamento osservato su scala macroscopica [1].
Il vetro è uno stato metastabile della materia ottenuto dal rapido raffreddamento di un liquido al di sotto della temperature di solidificazione. Questo processo non produce variazioni strutturali significative per cui un vetro è considerato come un liquido “congelato” perché il moto degli atomi, o rilassamento strutturale, diviene molto lento rispetto al tempo di osservazione. La transizione vetrosa porta quindi ad uno stato che è per definizione fuori dall’equilibrio e che presenta una dinamica molto complessa. Questo ha fatto sì che una teoria microscopica dei vetri non sia ancora disponibile.
Grazie allo sviluppo della tecnica di spettroscopia di foto-correlazione a raggi x (XPCS) [2] ed alla sua recente applicazione, presso il Sincrotrone Europeo ESRF,  allo studio della dinamica nei solidi amorfi, è stato possibile investigare il rilassamento strutturale nei vetri su una scala spaziale prossima alla distanza interatomica[1]. Gli autori hanno osservato l’esistenza di movimenti atomici collettivi nello stato vetroso, in contraddizione con l’idea normalmente accettata di uno stato arrestato dal punto di vista della dinamica. Quando il materiale viene raffreddato dal fuso nello stato vetroso, il tempo di rilassamento strutturale si allontana rapidamente dall’andamento tipico del liquido sottoraffreddato: il tempo di rilassamento rimane dell’ordine di 50-1000s, con una debole dipendenza dalla temperatura, il che indica un’energia di attivazione molto bassa. Questo moto atomico relativamente veloce è accompagnato dall’assenza di invecchiamento, che non si rileva nemmeno a temperature molto vicine a quella di transizione vetrosa. Questi risultati indicano che il rilassamento osservato alla scala atomica è dovuto ad un meccanismo fisico nuovo e diverso rispetto a quello osservato in tutti gli esperimenti ed i lavori teorici precedenti [3]. Lo studio suggerisce quindi nuovi esperimenti, su altri sistemi vetrosi, mentre l’interpretazione di questi fenomeni richiederà lo sviluppo di nuovi modelli teorici.

Referenze

[1] B. Ruta, G. Baldi, Y. Chushkin, B. Rufflé, L. Cristofolini, A. Fontana, M. Zanatta and F. Nazzani, Revealing the fast atomic motion of network glasses, Nat. Commun. 5, 3939 (2014).

[2] M. Sutton, SGJ Mochrie, T Greytak, SE Nagler, LE Berman, GA Held et al. Observation of speckle by diffraction with coherent X-rays. Nature 352, 608–10 (1991)

G. Gruebel, A. Madsen, A. Robert X-Ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS). In: R. Borsali, R. Pecora editors. Soft-Matter Characterization , Springer; p. 935–95 (2008)

[3] L. Berthier and G. Biroli. Rev. Mod. Phys. 83, 587-645 (2011).

Pubblicato Giovedì, 12 Giugno, 2014 - 09:48 | ultima modifica Mercoledì, 6 Agosto, 2014 - 10:57