Mettere ordine nei solidi amorfi disordinati
Che cos’hanno in comune le finestre, le bottiglie di plastica, gli pneumatici, le caramelle dure e la maionese? Sono tutti solidi amorfi. «A differenza dei solidi cristallini ben organizzati, i solidi amorfi sono un pasticcio disordinato», spiega Francesco Zamponi, fisico dell’École Normale Supérieure di Parigi. «Presentano, infatti, un’ampia gamma di anomalie, fra cui modi vibrazionali a bassa frequenza, il loro calore specifico e la loro conducibilità termica si comportano in modo diverso dai cristalli, rispondono in modo non lineare a deformazioni arbitrariamente piccole e hanno una dinamica molto cooperativa.» Poiché la comprensione di queste anomalie dal punto di vista teorico è scarsa, i solidi amorfi vengono per lo più trascurati nella maggior parte dei libri di testo di fisica standard. Ma grazie al sostegno del progetto GlassUniversality, finanziato dall’UE, Zamponi spera di cambiare questa situazione: «Il nostro obiettivo era quello di gettare una base “solida” su alcuni aspetti chiave dei solidi amorfi, da cui altri progetti di ricerca potessero prendere spunto.»
Presentazione della transizione di Gardner
Una delle proposte teoriche per trovare una spiegazione universale a tutte le anomalie associate ai solidi amorfi si basa sulla transizione di Gardner. Questo concetto, chiamato così in onore della sua scopritrice Elizabeth Gardner, pioniera della fisica statistica dei sistemi disordinati e dell’intelligenza artificiale, descrive una transizione indotta dalla temperatura o dalla pressione in cui un sistema disordinato (ad esempio, i solidi amorfi) si organizza in uno dei numerosi stati marginalmente stabili. «Volevamo capire fino a che punto questa transizione di fase controlli la fisica del vetro a basse temperature», spiega Zamponi. Utilizzando simulazioni numeriche e al computer, i ricercatori hanno cercato di caratterizzare le eccitazioni e i difetti di diversi tipi di vetro. Le eccitazioni e i difetti si riferiscono ai piccoli movimenti atomici termici intorno alla struttura solida disordinata di riferimento che controllano il comportamento a basse temperature del solido. «La stabilità marginale indotta dalla transizione di Gardner prevede che tali movimenti siano sia dilatati, estendendosi all’intero campione solido, sia fortemente correlati, con il movimento dell’atomo da un lato che riflette il movimento che avviene dall’altro lato», osserva Zamponi.
Alcune scoperte inaspettate
Ma è proprio così? Quello che i ricercatori hanno scoperto è che tali eccitazioni di tipo Gardner esistono, ma solo per i vetri che sono abbastanza vicini al cosiddetto punto di jamming, ovvero il punto in cui si forma, dopo la compressione, una rete meccanicamente stabile di interazioni atomiche. «Non solo è stata una scoperta inaspettata, ma anche impegnativa», osserva Zamponi: «infatti, poiché non ci aspettavamo che le eccitazioni di tipo Gardner scomparissero lontano dal punto di jamming, abbiamo dovuto sviluppare nuove simulazioni per capire come queste eccitazioni si localizzino e interagiscano.» I ricercatori hanno anche scoperto che quando un vetro è fortemente compresso al di sopra del punto di jamming, come nel caso del tipo di vetro utilizzato nella maggior parte delle finestre, le eccitazioni diventano fortemente localizzate e coinvolgono solo il movimento di pochi atomi. Si tratta della prima osservazione e caratterizzazione diretta di tali eccitazioni, chiamate sistemi di tunnelling a due livelli e che svolgono un ruolo cruciale nella fisica del vetro, utilizzando un modello computerizzato realistico di vetro. Molti dei risultati di questo progetto finanziato dal Consiglio europeo della ricerca sono stati pubblicati nel libro «Theory of simple glasses».
Aprire le porte a nuovi campi di ricerca
Il lavoro del progetto GlassUniversality ha fatto compiere passi avanti alla nostra comprensione dei solidi amorfi come il vetro, ma ha anche aperto le porte alla ricerca in altri campi. Prendiamo ad esempio le proteine: dato che possono essere considerate come macchine solide disordinate in grado di svolgere funzioni specifiche, molte delle idee emerse dal progetto GlassUniversality possono essere applicate al loro studio. «Penso che progettare materiali disordinati in grado di svolgere funzioni specifiche sia una direzione molto entusiasmante per la ricerca futura», conclude Zamponi.
Parole chiave
GlassUniversality, solidi cristallini, solidi amorfi, modelli computazionali, modelli numerici, vetro, fisica, transizione di Gardner, proteine
