Lo studio all'ESRF di Grenoble riscrive la dinamica molecolare della transizione vetrosa: il misterioso rilassamento di Johari-Goldstein non è un fenomeno isolato ma il precursore diretto della fluidità
Uno studio condotto al centro di luce dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble da parte di ricercatori delle Università di Bruxelles, Padova, Pisa e ESRF pubblicato su «Nature Physics» con il titolo "Crossover of quasi-localized dynamics and diffusion in supercooled liquids" riscrive la dinamica molecolare dei liquidi verso lo stato vetroso. Dalla pubblicazione emerge che la “danza delle molecole” non è composta da movimenti isolati, ma da un unico meccanismo coerente.
Cosa separa un liquido che scorre da un vetro solido e fragile? A prima vista, la risposta sembra banale: nel primo gli atomi si muovono liberamente, nel secondo sono bloccati. Eppure, per i fisici della materia, la cosiddetta "transizione vetrosa" è uno degli enigmi più complessi della natura. Raffreddando un liquido verso lo stato di vetro, il tempo necessario alle molecole per riorganizzarsi cresce in modo esponenziale, ma la loro struttura atomica quasi non cambia.
Com'è possibile che un sistema diventi rigido senza mutare l'ordine dei suoi componenti? Per decenni, la fisica ha interpretato questo fenomeno come una sovrapposizione di movimenti distinti. A tempi lunghi c’è il rilassamento strutturale, il processo principale in cui le molecole riescono finalmente a sfuggire dalle "gabbie molecolari" formate dai loro vicini, permettendo al liquido di fluire. All'estremo opposto, a tempi corti, ci sono le vibrazioni frenetiche degli atomi all'interno di quelle stesse gabbie.
In mezzo a questi due estremi si colloca il misterioso rilassamento di Johari–Goldstein, identificato negli anni Settanta. Per cinquant'anni ci si è chiesti se si tratti di un movimento autonomo e locale o se piuttosto sia legato alla danza principale del liquido.
"Il rilassamento di Johari-Goldstein gioca un ruolo cruciale nei vetri perché è all’origine della loro mobilità residua - dice Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova - ed è legato a proprietà importanti ma non facilmente prevedibili quali la duttilità o la resistenza alla cristallizzazione; la sua origine microscopica fino ad oggi restava poco chiara".
Oggi, questo team internazionale di ricerca utilizzando l’ESRF ha sfruttato una tecnica d’avanguardia, l’interferometria nel dominio del tempo a raggi X, per investigare questo mistero della fisica. Lo strumento utilizzato ha permesso da un lato di osservare il movimento molecolare su scala atomica in una finestra temporale (tra i 10 nanosecondi e i 10 microsecondi) finora quasi inaccessibile e dall’altro “isolare la firma” del rilassamento di Johari-Goldstein.
"Il nostro esperimento fornisce informazioni sul rilassamento di Johari-Goldstein nello spazio reciproco e queste informazioni - racconta Federico Caporaletti dell'Experimental Soft Matter and Thermal Physics dell'Université libre de Bruxelles - vanno poi “trasformate” nello spazio reale. L’immagine di questo rilassamento nello spazio reale diventava sempre più nitida via via che aumentavano le informazioni a nostra disposizione nello spazio reciproco finché, ad un certo punto, abbiamo capito".
I risultati, pubblicati su Nature Physics, ribaltano le vecchie convinzioni: il rilassamento beta non è un evento isolato e indipendente. Al contrario, è il precursore diretto del rilassamento strutturale: è il primo segnale di cedimento delle gabbie molecolari che, infine, porta alla fluidità del materiale.
Sebbene lo studio non cancelli 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 capito l’origine microscopica di alcune proprietà molto importanti dei vetri - conclude Simone Capaccioli del Dipartimento di Fisica dell'Università di Pisa -. Questi risultati potranno contribuire a progettare vetri con proprietà sempre più rispondenti alle richieste 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
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