Un liquido sottoraffreddato ha una struttura a mosaico
30.03.2021
Lo studio Experimental evidence of mosaic structure in strongly supercooled molecular liquid, condotto dal team internazionale di ricerca composto dall’Università di Amsterdam, Padova, Pisa e Barcellona con il contributo dell’European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble e del moscovita National Research Center “Kurchatov Institute”, conferma ai raggi X la dinamica molecolare di un liquido in prossimità della transizione vetrosa.
Un vetro può essere immaginato come un liquido che ha perso la sua capacità di fluire. Quando un liquido è raffreddato al di sotto della sua temperatura di fusione o, come si dice, è sottoraffreddato – il moto molecolare rallenta fino al punto che, alla transizione vetrosa, il liquido appare all’osservatore come congelato: si è ottenuto un vetro. Nonostante i vetri siano utilizzati in innumerevoli applicazioni tecnologiche, resta da chiarire quale sia il meccanismo microscopico alla base della loro formazione. Un modo per capire cosa succeda alla transizione vetrosa è quello di studiare i moti molecolari, chiamati processi di rilassamento, grazie ai quali un liquido ritorna all’equilibrio dopo una piccola perturbazione.
In un caso di fluttuazione di densità, in un liquido al di sopra della temperatura di fusione – come l’acqua a temperatura ambiente – la struttura cambia, cioè rilassa tornando all’equilibrio, in pochi picosecondi (milionesimi di milionesimi di secondo), mentre in prossimità della transizione vetrosa la struttura cambia su tempi dell’ordine di centinaia di secondi. Questo rilassamento strutturale è tuttavia anticipato dalla comparsa di un processo dinamico più veloce, noto come rilassamento Johari-Goldstein, il cui ruolo nella transizione vetrosa è argomento di animata discussione.
Il team di ricerca internazionale ha utilizzato un interferometro per raggi X del sincrotrone europeo ESRF dopo la caratterizzazione preliminare dei campioni a Pisa (Rete di strumentazioni CISUP) per studiare, alla scala atomica, il rilassamento Johari-Goldstein in un liquido a temperature prossime alla transizione vetrosa.
I risultati ottenuti forniscono una nuova prospettiva della dinamica microscopica in un liquido sottoraffreddato: il processo Johari-Goldstein segnala la formazione di una struttura a mosaico, con tasselli di molecole meno mobili (sfere bianche in figura) separati da una rete in continua evoluzione di molecole più mobili (sfere rosse). La comparsa di questa struttura a mosaico conferma l’idea che una transizione di natura dinamica ha luogo nei liquidi sottoraffreddati, come suggerito da alcuni modelli teorici della transizione vetrosa.
«Questo risultato - conclude Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica ed Astronomia “Galileo Galilei” dell’Università di Padova e coordinatore del lavoro - contribuisce a chiarire i meccanismi microscopici in base ai quali alcuni liquidi possono dar luogo ad un vetro, ad esempio un silicato fuso che diventa un vetro di finestra, invece di cristallizzare, come fa invece l’acqua quando ghiaccia».
