Un’analisi effettuata presso il centro luce dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, condotta da ricercatori delle Università di Bruxelles, Padova, Pisa e dall’ESRF, è stata pubblicata su «Nature Physics» con il titolo “Crossover of quasi-localized dynamics and diffusion in supercooled liquids”. Questo studio offre una nuova interpretazione della dinamica molecolare dei liquidi mentre tendono verso lo stato vetroso. Dai risultati emerge che la “danza delle molecole” non si compone di movimenti isolati, ma piuttosto di un unico meccanismo coerente.
Qual è la differenza tra un liquido fluido e un vetro solido e fragile? A prima vista, la risposta sembra semplice: nel primo caso, gli atomi possono muoversi liberamente, mentre nel secondo sono fermi. Tuttavia, per i fisici della materia, la cosiddetta “transizione vetrosa” rappresenta uno dei più complessi enigmi della natura. Raffreddando un liquido fino a raggiungere lo stato vetroso, il tempo necessario affinché le molecole si riorganizzino cresce in modo esponenziale, mentre la loro struttura atomica rimane quasi invariata.
Come è plausibile che un sistema diventi rigido senza alterare l’ordine dei suoi componenti? Per decenni, la fisica ha interpretato questo fenomeno come la sovrapposizione di movimenti distinti. Nel lungo periodo, c’è il rilassamento strutturale, il processo fondamentale in cui le molecole possono finalmente scappare dalle “gabbie molecolari” costituite dai loro vicini, consentendo al liquido di fluire. All’estremo opposto, in tempi molto brevi, ci sono le vibrazioni intense degli atomi all’interno delle stesse gabbie.
Tra questi due estremi si colloca il misterioso rilassamento di Johari–Goldstein, scoperto negli anni Settanta. Per cinquant’anni ci si è interrogati se fosse un movimento autonomo e locale o, al contrario, se fosse associato alla principale danza del liquido.
“Il rilassamento di Johari-Goldstein è fondamentale nei vetri perché è alla base della loro mobilità residua – sottolinea Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova – ed è connesso a importanti proprietà, non facilmente prevedibili, come la duttilità e la resistenza alla cristallizzazione; fino ad ora, la sua origine microscopica non era chiara“.
Attualmente, questo team internazionale di ricerca ha utilizzato l’ESRF per emploiare una tecnica all’avanguardia, l’interferometria nel dominio del tempo a raggi X, per affrontare questo mistero della fisica. Lo strumento impiegato ha consentito di osservare il movimento molecolare su scala atomica in una finestra temporale (tra 10 nanosecondi e 10 microsecondi) quasi inaccessibile fino ad ora, e di “isolare la firma” del rilassamento di Johari-Goldstein.
“Il nostro esperimento fornisce informazioni sul rilassamento di Johari-Goldstein nello spazio reciproco e queste informazioni – spiega Federico Caporaletti dell’Experimental Soft Matter and Thermal Physics dell’Université libre de Bruxelles – devono essere successivamente “trasformate” nello spazio reale. L’immagine di questo rilassamento nello spazio reale si faceva sempre più chiara man mano che aumentavano le informazioni disponibili nello spazio reciproco, fino a quando, ad un certo punto, abbiamo compreso“.
I risultati, pubblicati su Nature Physics, ribaltano le convinzioni precedenti: il rilassamento beta non è un fenomeno isolato e indipendente. Al contrario, è il precursore diretto del rilassamento strutturale: rappresenta il primo segnale di rottura delle gabbie molecolari, che alla fine porta alla fluidità del materiale.
Sebbene lo studio non smentisca i modelli precedenti, suggerisce che la distinzione tra i vari tipi di rilassamento sia più formale che sostanziale: a livello microscopico, la dinamica è profondamente interconnessa.
“Dopo quasi dieci anni di ricerche nei nostri laboratori e presso ID18 a ESRF, abbiamo finalmente compreso l’origine microscopica di alcune proprietà molto rilevanti dei vetri – conclude Simone Capaccioli del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa – . Questi risultati potrebbero contribuire alla progettazione di vetri con caratteristiche sempre più in linea con le esigenze della società“.
Titolo: At the crossover between quasi-localized dynamics and diffusion in deeply supercooled liquids – “Nature Physics” – 2026
Autori: Federico Caporaletti, Simone Capaccioli, Dimitrios Bessas, Aleksandr I. Chumakov, Alessandro Martinelli, Francesco Dallari e Giulio Monaco
Fonte: Ufficio stampa
