Esposti ai raggi X alcuni vetri diventano fluidi.

Un recente studio, condotto da una collaborazione tra fisici del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova, dell’Istituto di Fisica dell’Università di Amsterdam, del centro di ricerca DESY di Amburgo e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, mostra come gli atomi di alcuni vetri, esposti a raggi X, si muovano all’interno del materiale ma in modo ben diverso da quanto avviene in un liquido. Questo studio mostra dunque una possibile nuova strategia per modificare, e dunque alla fine controllare, le proprietà fisiche dei vetri. Un vetro può essere realizzato raffreddando rapidamente un liquido - si pensi ad un comune oggetto di vetro ottenuto per raffreddamento del fuso. In conseguenza di questa procedura, nello stato vetroso gli atomi si trovano in una configurazione disordinata, come in un liquido; a differenza di quest’ultimo, però, la loro configurazione resta pressoché fissa, vale a dire che gli atomi sono vincolati alla loro posizione di equilibrio e possono spostarsi e diffondere all’interno del materiale solo su tempi estremamente lunghi (e comunque troppo lunghi anche per un osservatore molto paziente). È stato recentemente osservato che esponendo i vetri ad un fascio di raggi X di intensità sufficiente, è possibile indurre spostamenti degli atomi all’interno dei vetri: in condizioni di irraggiamento con raggi X i vetri fluiscono, come i liquidi. L’origine di questo fenomeno è ancora dibattuta e un recente studio, pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), getta nuova luce su come gli atomi, esposti a raggi X, possano spostarsi all’interno della struttura disordinata del vetro su distanze altrimenti irraggiungibili in tempi così brevi. “Con una serie di misure – afferma Francesco Dallari, ricercatore post-doc del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università di Padova – eseguite con una tecnica nota come spettroscopia di correlazione di fotoni X (XPCS) eseguite presso il sincrotrone PETRA III del centro di ricerca DESY ad Amburgo, è stato possibile tracciare questi spostamenti a partire dalla scala interatomica che è dell’ordine dell’angstrom (un angstrom è pari ad un decimilionesimo di millimetro) fino a distanze di svariate centinaia di angstrom (distanze dell’ordine delle dimensioni di un coronavirus)”. La dinamica osservata segue le leggi di quello che viene definito “iper-trasporto”, ossia un tipo di moto dove la distanza percorsa dagli atomi aumenta col passare del tempo più rapidamente non solo di quanto non avvenga in una semplice diffusione (si pensi ad una goccia di caffè che diffonde in una tazza di latte) ma addirittura di quanto non avvenga quando una particella si muov e a velocità costante in una certa direzione. “In pratica – spiega Giulio Monaco, Professore del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università di Padova - i raggi X che raggiungono il vetro generano dei difetti all’interno del materiale. Questi difetti inducono dei campi di forza che si comportano come delle molle compresse che a loro volta spostano gli atomi vicini fino a distanze dell’ordine di centinaia o migliaia di angstrom”. Quando, dopo un sufficiente irraggiamento, questi difetti diventano abbastanza numerosi (o, più precisamente, densi), gli atomi si spostano in risposta a tante piccole molle cariche che si ‘accendono’ in maniera casuale nel materiale. L’effetto medio è che gli atomi si spostano con una serie di accelerazioni improvvise, un po’ come palline in un flipper. Questo porta ad una traiettoria caratterizzata da tanti spostamenti brevi intervallati da spostamenti sorprendentemente lunghi seguendo una distribuzione di probabili tà nota come distribuzione di Lévy, dal nome del matematico francese che per primo la studiò. Questo tipo di distribuzione di spostamenti è osservata in una classe di situazioni molto diverse fra loro, a partire dalla materia interstellare accelerata da campi magnetici distribuiti in maniera casuale fino alle migrazioni di animali o al trasporto di persone. In tutte queste situazioni, le particelle si muovono eseguendo piccoli passi e spostandosi di poco ma hanno sempre una certa probabilità di eseguire improvvisamente un salto estremamente lungo che le trasporta in una nuova regione dello spazio dove eseguono di nuovo piccoli passi per poi spostarsi nuovamente in un'altra regione completamente diversa; un po’ come un turista che si sposta in aereo, che parte e visita una città muovendosi a piedi o su un autobus, poi prende un aereo e cambia città in una nazione diversa ricominciando a spostarsi a piedi. Questo tipo di dinamica è stata osservata in molti sistemi su scale estremamente disparate, ma viene osservata qui per la prima volta in un sistema compatto co me un ve tro per effetto di forze interatomiche. Questo studio mostra dunque una possibile nuova strategia per modificare, e dunque alla fine controllare, le proprietà fisiche dei vetri. Ulteriori informazioni e una copia dell’articolo sono disponibili www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213182120