Il vetro è stato uno dei primi materiali artificiali creati dall’uomo, probabilmente come sotto prodotto della lavorazione dei metalli. Quando pensiamo ad un vetro lo immaginiamo come un solido che può possedere diversi gradi di rigidità, trasparenza e fragilità.
In realtà il vetro è tutt’altro che un solido. Per cercare di comprenderne la natura, un esempio che può aiutarci è quello dell’acqua. Questo elemento rimane liquido tra gli 0 e i 100 gradi centigradi. Sotto congela diventando ghiaccio, sopra evapora trasformandosi in gas.
A scuola abbiamo imparato che i materiali solidi, liquidi e gassosi passano da uno stato all’altro, in modo pressocché istantaneo, quando si passa la cosiddetta temperatura di transizione. In particolare la temperatura di transizione vetrosa segna il confine tra lo stato amorfo vetroso e lo stato amorfo gommoso, liquido molto rigido e caratterizzato da elevata viscosità. La transizione vetrosa non è una transizione termodinamica, bensì cinetica, alla quale non corrisponde alcun cambiamento nella disposizione degli atomi/molecole nello spazio, come invece avviene nel passaggio di stato da solido cristallino a liquido.
Un altro esempio che ci aiuta a comprendere la complessità delle modificazione di stato dei materiali è quello rappresentato da una candela che brucia. Vicino alla fiamma la cera è un liquido, se incliniamo la candela le gocce di cera cadono come farebbe un qualsiasi liquido. Se invece lasciamo colare la cera, via via che scende lungo la candela si raffredda e rallenta, fino a che si ferma perché la forza di gravità non riesce più a tirarla giù.
Se con la dovuta cautela la tocchiamo in questa fase scopriamo che la cera è malleabile e cedevole, ma con il passare del tempo diventa sempre meno cedevole fino a solidificarsi. Non sappiamo a quale temperatura esatta questo cambiamento avviene. Dipende dalla soglia di durezza scelta.
Lo stesso avviene per il vetro, da liquido quasi perfetto diventa un liquido viscoso e malleabile per un tempo brevissimo nel quale gli artigiani fanno il loro “miracolo” produttivo. Comprendere come queste transizioni accadono non è semplice. Ci possono aiutare esperimenti come quello compiuto nel 2016 da un gruppo di ricercatori internazionali coordinati da Tullio Scopigno, dell’Università La Sapienza di Roma.
Il carattere ibrido dei sistemi vetrosi, prima liquidi e poi solidi, da sempre lascia aperte questioni fondamentali sulla loro natura e sul loro comportamento: si tratta infatti di materiali comunemente ottenuti raffreddando rapidamente un liquido al di sotto della sua temperatura di cristallizzazione, dotati di proprietà e meccaniche tipiche dei solidi ma di una struttura microscopica simile a quella dei liquidi.
L’esperimento grazie a un particolare metodo di sintesi, ha rapidamente ottenuto materiali amorfi con età confrontabile a quella di vetri invecchiati per millenni. Misurandone poi le proprietà meccaniche con una avanzata tecnica spettroscopica basata sull’utilizzo di laser al femtosecondo, ideata e realizzata dal gruppo di ricerca è possibile determinare gli elevatissimi valori di viscosità tipici di un vetro.
“Siamo riusciti a determinare con precisione tempi di rilassamento di migliaia di anni, talmente lunghi da risultare inaccessibili con qualunque altra tecnica esistente, dimostrando che a temperature molto inferiori al punto di transizione vetrosa non vi è arresto strutturale, ovvero la divergenza di viscosità aspettata secondo accreditate modellizzazioni dello stato vetroso” – spiega Tullio Scopigno, docente di Termodinamica del dipartimento di Fisica della Sapienza e coordinatore dello studio. “Per fare questo abbiamo dovuto riprodurre velocemente vetri millenari, assemblandoli molecola per molecola e controllandone l’età con grande precisione. Un po’ come ottenere vini perfettamente affinati senza doverne attendere l’invecchiamento!”
L’esperimento porterebbe pertanto ad escludere l’esistenza di una temperatura caratteristica alla quale la viscosità diverge, ovvero un vetro smette di fluire, invalidando le teorie della transizione vetrosa basate appunto sulla divergenza del cosiddetto tempo di rilassamento strutturale.
Fonti:
Wikipedia
Università La Sapienza
Le Scienze, febbraio 2021, ed. cartacea
