Scoperta al cuore della fisica per l’Università di Trento: anche nel caos del vetro le vibrazioni atomiche restano inalterate

Uno studio condotto dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, in collaborazione con l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble e altri centri di ricerca europei, getta nuova luce su questo mistero. Il gruppo di lavoro ha analizzato i cosiddetti vetri ultra-stabili, materiali prodotti con tecniche avanzate che li rendono candidati ideali per il titolo di “vetro perfetto”.

La prima autrice dell’articolo pubblicato su Physical Review X è Irene Festi, che ha lavorato al progetto per la sua tesi di dottorato al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento. Giacomo Baldi, professore di Fisica sperimentale della materia e responsabile del laboratorio di struttura e dinamica dei sistemi complessi presso lo stesso Dipartimento di UniTrento, è il coordinatore scientifico dello studio.

La sfida dei vetri ultra-stabili

Negli ultimi anni l’attenzione della ricerca si è concentrata su questo tipo di materiale, ottenuto da molecole organiche oggi impiegate in varie applicazioni, dalle pastiglie farmaceutiche agli OLED dei televisori. A differenza dei vetri tradizionali, prodotti raffreddando rapidamente un liquido fuso, quelli ultra-stabili sono costruiti “molecola dopo molecola” depositando vapori su una superficie a temperatura controllata. Il risultato è un materiale più denso, più stabile e termicamente simile a un cristallo.

A bassa temperatura, i cristalli si comportano in modo prevedibile: gli atomi possono solo vibrare attorno alla loro posizione di equilibrio. Nei vetri, oltre alle vibrazioni, possono avvenire minuscoli riassestamenti atomici, piccoli “salti” da una configurazione all’altra.

La domanda centrale dello studio era se un vetro ultra-stabile, pur imitando un cristallo dal punto di vista termico, presentasse anche un cambiamento nelle sue vibrazioni microscopiche. La ricerca ha quindi indagato se questa somiglianza termica dipendesse da una diversa vibrazione degli atomi.

Il risultato è sorprendente, come racconta Giacomo Baldi: “Nonostante le proprietà termiche diverse, le vibrazioni di base (onde sonore) tra un vetro normale e uno ultra-stabile rimangono pressoché identiche. Questo smentisce anni di simulazioni al computer e suggerisce che il disordine vibrazionale sia più robusto di quanto pensato”.

Vibrazioni atomiche ai raggi X

Per analizzare questi vetri, ed è questa la parte più innovativa della ricerca, il gruppo di lavoro ha utilizzato uno spettrografo a raggi X capace di misurare le vibrazioni atomiche fino alla frequenza straordinariamente bassa di poche decine di gigahertz, sfruttando una risoluzione in energia di una parte in un miliardo, dieci volte superiore rispetto ai metodi precedenti.

Si tratta di un esperimento reso possibile dall’utilizzo del sincrotrone di Grenoble, uno dei sincrotroni di quarta generazione più importanti attualmente in funzione nel mondo, un po’ come cercare di distinguere il ronzio di una zanzara in mezzo a un concerto rock.

I risultati

Lo studio ha rivelato un fatto inaspettato: mentre le vibrazioni a frequenze intermedie crollano drasticamente quando il vetro diventa più stabile, le vibrazioni a frequenze ancora più basse rimangono praticamente identiche a quelle di un vetro comune.

“Questo significa – spiega il professor Baldi – che anche se si eliminano quasi tutti i difetti del vetro rendendolo ultra-stabile, rimane un fondo di vibrazioni che sembra essere una caratteristica intrinseca e ineliminabile dello stato vetroso. Si dimostra così che queste vibrazioni non sono dovute a difetti localizzati, come si pensava in precedenza, ma sono legate al modo in cui le onde sonore viaggiano e si smorzano attraverso la struttura disordinata del materiale”.

Gli scenari

Sebbene si tratti di ricerca di base, le potenziali ricadute di questo studio toccano settori ad alta tecnologia. Il materiale studiato è utilizzato nei monitor a OLED di televisori e smartphone, e comprendere come vibrano gli atomi in questi film sottili permette di migliorare la conduzione del calore e la stabilità nel tempo, contribuendo a ottimizzare il risparmio energetico e la durata degli schermi.

Nel campo della farmaceutica, molti medicinali sono incapsulati in matrici vetrose organiche. Poiché i vetri sono fuori equilibrio possono deteriorarsi nel tempo, un fenomeno chiamato “aging”. Se il vetro cambia struttura, il rilascio del farmaco nell’organismo entro un determinato periodo dall’assunzione può variare e risultare inefficace. Studiare la stabilità atomica aiuta quindi a creare capsule che non invecchiano.

L’Università di Trento ha su questo specifico argomento una lunga tradizione, rappresentando un punto di riferimento per gli studi all’avanguardia sui sistemi complessi, come testimoniato anche dal recente workshop dedicato a questi temi, giunto alla diciassettesima edizione e svoltosi ad Andalo nel marzo di quest’anno. Un convegno considerato dalla comunità scientifica della fisica un appuntamento di rilievo internazionale.