Scoperto un nuovo stato della materia: il vetro liquido

Un gruppo di scienziati dell'Università di Costanza, in Germania, ha scoperto un nuovo stato della materia, il vetro liquido

©Shutterstock/OlegRi

Né liquido né solido. Una vera e propria magia regalata dalla chimica. Un gruppo di scienziati dell’Università di Costanza, in Germania, ha scoperto un nuovo stato della materia, il vetro liquido, con elementi strutturali precedentemente sconosciuti.

E’ sempre stato sotto ai nostri occhi, lo usiamo quotidianamente ma rappresenta anche un grande enigma scientifico. Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, la vera natura del vetro rimane misteriosa, e l’indagine scientifica sulle sue proprietà è ancora in corso. In chimica e fisica, il termine vetro stesso è un concetto mutevole: include la sostanza che conosciamo come vetro per finestre, ma che può anche riferirsi a una gamma di altri materiali con proprietà che possono essere spiegate facendo riferimento al comportamento simile al vetro, tra cui , ad esempio, metalli, plastica, proteine e persino cellule biologiche.

Anche se può dare l’impressione che lo sia, il vetro è tutt’altro che convenzionalmente solido. Tipicamente, quando un materiale passa da uno stato liquido a uno stato solido, le molecole si allineano per formare un motivo cristallino. Nel vetro questo non accade. Nel suo caso, le molecole si “congelano” in posizione prima che avvenga la cristallizzazione.

La nuova ricerca guidata dai professori Andreas Zumbusch (Dipartimento di Chimica) e Matthias Fuchs (Dipartimento di Fisica), entrambi con sede presso l’Università di Costanza, ha appena aggiunto un nuovo tassello a questo enigma.

Utilizzando un modello che coinvolge sospensioni di colloidi ellissoidali, i ricercatori hanno scoperto un nuovo stato della materia, il vetro liquido, in cui le singole particelle sono in grado di muoversi ma non sono in grado di ruotare, un comportamento complesso che non era stato precedentemente osservato. Ciò dà luogo a gruppi di particelle che si ostruiscono a vicenda e impediscono la formazione di uno stato ordinato della materia. I risultati sono pubblicati su Pnas.

Le sospensioni colloidali sono miscele o fluidi che contengono particelle solide di dimensioni di un micrometro (un milionesimo di metro). Esse sono più grandi degli atomi o delle molecole e quindi adatte alle indagini con la microscopia ottica. Sono molto usate dagli scienziati che studiano le transizioni del vetro.

Ad oggi, la maggior parte degli esperimenti che coinvolgono sospensioni colloidali si sono basate su colloidi sferici. La maggior parte dei sistemi naturali e tecnici, tuttavia, sono composti da particelle non sferiche. Usando la chimica dei polimeri, il team guidato da Andreas Zumbusch ha prodotto piccole particelle di plastica, allungandole e raffreddandole fino a ottenere la loro forma a ellisse:

“A causa delle loro forme distinte, le nostre particelle hanno un orientamento – al contrario delle particelle sferiche – che dà origine a tipi di comportamenti complessi completamente nuovi e precedentemente non studiati”, spiega Zumbusch, autore senior dello studio.

I ricercatori hanno quindi continuato a modificare le concentrazioni di particelle nelle sospensioni e hanno monitorato il movimento di traslazione e rotazione.

“A determinate densità di particelle il movimento orientativo si bloccava mentre il movimento traslazionale persisteva, creando in stati vetrosi in cui le particelle si raggruppavano per formare strutture locali con orientamento simile” ha aggiunto Zumbusch.

Quello che i ricercatori hanno definito vetro liquido è il risultato di questi cluster che si ostruiscono a vicenda e impediscono la formazione di un cristallo liquido che sarebbe lo stato della materia globalmente ordinato previsto dalla termodinamica.

Due transizioni vetrose concorrenti

Ciò che i ricercatori hanno osservato erano in realtà due transizioni vetrose concorrenti che interagivano tra loro confermando quella che per 20 anni era rimasta un’ipottesi al vaglio della comunità scientifica.

“I nostri esperimenti forniscono il tipo di prova per l’interazione tra fluttuazioni critiche e arresto vitreo che la comunità scientifica ha cercato per un bel po’ di tempo”.

La nuova scoperta può aiutare a far luce sul comportamento di sistemi e molecole complessi che vanno dal molto piccolo (biologico) al molto grande (cosmologico). Potenzialmente influisce anche sullo sviluppo di dispositivi cristallini liquidi.

Fonti di riferimento: Università di Costanza, PNAS,