Anisotropia a lungo raggio in un vetro metallico
Per gran parte delle persone, la parola «vetro» richiama alla mente oggetti come bicchieri, finestre e schermi degli smartphone. Eppure questi tipi di vetro, composti principalmente da biossido di silicio, sono solo la punta dell’iceberg delle categorie note agli scienziati dei materiali. Esistono ad esempio numerosi vetri metallici, ovvero leghe metalliche disordinate, e non cristalline come la maggior parte dei metalli. Per le loro ottime proprietà meccaniche, trovano impiego in applicazioni come la schermatura dei veicoli spaziali, negli impianti biomedici e per costruire le teste delle mazze da golf. Ma nonostante la diffusione e l’utilità dei vetri, la scienza conosce ben poco sulla loro struttura e sulla loro dinamica. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA) e sotto la supervisione di Giulio Monaco dell’Università di Padova, il progetto GlassX ha sfruttato la disponibilità di innovative sorgenti di raggi X di nuova generazione per studiare nel dettaglio la struttura e la dinamica dei vetri con risoluzione nanometrica.
La transizione vetrosa è più di ciò che appare
I vetri si formano raffreddando un liquido, il cui flusso è la manifestazione massiccia della continua ridisposizione degli atomi a livello microscopico. Quando il liquido si raffredda, il flusso si fa sempre più lento, finché inizia a comportarsi come un solido. Questo processo è noto come transizione vetrosa. Ma anche nella sua forma solida, questo materiale non è in stato di equilibrio. La sua apparente solidità nasconde una continua ridisposizione degli atomi, che si «rilassano» per raggiungere lo stato di «vetro ideale» (lo stato con energia più bassa), anche se in un periodo di tempo molto lungo. I vetri sono quindi stati di non equilibrio della materia che si considerano disordinati come un liquido. Perlomeno, questa era la teoria prevalente fino ad oggi.
Nuove scoperte nella nanodiffrazione a raggi X ad alta tecnologia
GlassX ha sfruttato i raggi X altamente focalizzati e intensi dell’Extremely Brilliant Source (EBS), presso il Laboratorio europeo delle radiazioni al sincrotrone, per scoprire di più sulla struttura e sul comportamento dei vetri. Secondo il borsista MCSA Peihao Sun dell’Università di Padova: «Il fascio di raggi X molto luminoso e stretto dell’EBS consente di studiare la struttura dei materiali su scala di 100 nm. Questo ci ha permesso di ottenere informazioni sui vetri metallici che prima erano inaccessibili. È sorprendente constatare che questi vetri non sono disordinati nemmeno su una scala di 100 nm. Sono anisotropi, ossia non sono uguali quando vengono osservati da direzioni diverse, e le differenze possono superare i 100 nm, ossia migliaia di strati di atomi.»
Un possibile nuovo stato per il vetro
Sun aggiunge: «L’osservazione diretta dell’anisotropia a lungo raggio in un vetro metallico si scontra con la concezione comune dei vetri come sistemi completamente disordinati. Infatti, l’anisotropia nel nostro campione è scomparsa dopo che questo è stato riscaldato nuovamente e lasciato raffreddare lentamente. Di conseguenza, sembra che il vetro originale fosse in uno stato diverso, forse ignoto prima d’ora. Ne concludiamo che probabilmente avrà anche proprietà fisiche diverse, ancora da studiare. Le proprietà di questo vetro anisotropo non smettono di sorprendere», conclude Sun. I risultati del progetto GlassX e gli ulteriori studi del gruppo di ricerca potrebbero portare allo sfruttamento delle potenzialità tecnologiche dei nuovi vetri in applicazioni migliori e innovative.
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