La transizione vetrosa, uno dei più importanti problemi aperti in fisica della materia, continua a riservare molte sorprese, nonostante decenni di intense ricerche. Fino ad oggi, si riteneva che la diffusione nei liquidi vetrosi, per tempi di osservazione sufficientemente lunghi, fosse qualitativamente simile alla diffusione nei liquidi convenzionali. Tuttavia, uno scenario ben diverso emerge da una nuova ricerca pubblicata nella prestigiosa rivista Physical Review Letters: la diffusione a tempi lunghi nei liquidi vetrosi è Fickiana ma non-Gaussiana, un comportamento intrigante che è stato precedentemente osservato in fluidi complessi e biologici. A differenza di quanto osservato in questi fluidi, tuttavia, la diffusione Fickiana ma non-Gaussiana nei liquidi vetrosi diventa estremamente marcata avvicinandosi alla transizione vetrosa e sembra essere caratterizzata da leggi di scala "universali".

Lo studio, basato su esperimenti e simulazioni, è stato completamente realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale dell'Università Federico II da Francesco Rusciano (dottorando), Raffaele Pastore e Francesco Greco del gruppo di "Statistical Mechanics of Soft Materials". 

La transizione vetrosa. Dopo decenni di sforzi sperimentali e teorici da parte di una vasta comunità, la transizione vetrosa resta una delle più importanti questioni aperte nell'ambito della fisica della materia condensata e dei sistemi complessi. Il Premio Nobel recentemente conferito a Giorgio Parisi, uno dei massimi studiosi della transizione vetrosa è emblematico della rilevanza di questa tematica nella fisica contemporanea. Se un liquido molecolare viene raffreddato molto rapidamente al di sotto della temperatura di fusione, è possibile evitare la cristallizzazione. In questo stato, tuttavia, ulteriori abbassamenti di temperatura, benché modesti, provocano un enorme incremento della viscosità (anche di diversi ordini di grandezza) e conducono infine alla formazione di un vetro, un materiale che è a tutti gli effetti solido dal punto di vista meccanico, pur conservando la struttura microscopica disordinata tipica di un liquido. In questo senso, la transizione vetrosa mette a dura prova una assunzione fondamentale nel campo della fisica della materia condensata, ossia che struttura microscopica e risposta meccanica di un materiale siano direttamente connesse. Inoltre, a partire dalla metà degli anni 80, è emerso come la transizione vetrosa non sia una prerogativa esclusiva dei liquidi molecolari, ma si verifichi anche in altri sistemi, come ad esempio nelle sospensioni colloidali all'aumentare della concentrazione. Mentre lo sviluppo di una teoria comprensiva della transizione vetrosa è ancora argomento di acceso dibattito, è ad oggi chiaro come un elemento fondamentale sia rappresentato dalla presenza di "eterogeneità dinamica", ossia la temporanea coesistenza, all'interno dei liquidi vetrosi, di gruppi di particelle "veloci" e "lente". Di fatto, i liquidi vetrosi sono considerati un esempio paradigmatico di eterogeneità dinamica.

Diffusione Fickiana non-Gaussiana. Mentre lo studio della transizione vetrosa ha una lunga storia, la questione della Diffusione Fickiana ma non-Gaussiana è molto più recente. La diffusione di particelle nei liquidi convenzionali e in molti altri sistemi è caratterizzata da uno spostamento quadratico medio direttamente proporzionale al tempo di osservazione (comportamento Fickiano) e da una distribuzione Gaussiana degli spostamenti, come predetto dal celebre lavoro di Einstein sul moto Browniano e dalla sua interpretazione in termini di "random walk". Tuttavia, in alcuni sistemi, come network di fibre o materiali porosi, la diffusione è al tempo stesso non-Fickiana e non-Gaussiana, e pertanto denominata "diffusione anomala". Alla luce di queste osservazioni, si è a lungo ritenuto che il comportamento Fickiano e quello Gaussiano fossero strettamente legati tra loro: che si verificassero simultaneamente o che non si verificassero affatto. Solo a partire dal 2009, una serie di esperimenti realizzati dal gruppo di Steve Granick (University of Illinois at Urbana Champaign) ha messo in discussione questo consolidato scenario, rivelando l'esistenza di un nuovo tipo di diffusione, che è contemporaneamente Fickiana e non-Gaussiana. Dopo la prima osservazione in fluidi biologici, questo tipo di diffusione è stato osservato in una grande varietà di "materiali soffici" (gel, sistemi colloidali e polimerici), ma la sua comprensione resta ad oggi elusiva. Tuttavia, è ormai chiaro come l'emergere della diffusione Fickiana non-Gaussiana sia generalmente associato ad eterogeneità strutturali o dinamiche presenti nell'ambiente in cui le particelle si muovono.

Diffusione Fickiana non-Gaussiana nei liquidi vetrosi. La frequente concomitanza di eterogeneità e diffusione Fickiana non-Gaussiana ha spinto i ricercatori dell'Università Federico II di Napoli a investigare la possibilità di questo fenomeno nei liquidi vetrosi, un caso emblematico di eterogeneità dinamica. Analizzando esperimenti su sospensioni colloidali e simulazioni di liquidi molecolari, lo studio dimostra non solo che la diffusione Fickiana non-Gaussiana è effettivamente presente, ma anche che i suoi tratti distintivi diventano estremamente "forti" e persistenti avvicinandosi alla transizione vetrosa. Lo studio mostra anche come alcune leggi di potenza "universali" siano in grado di descrivere le relazioni tra il tempo caratteristico del comportamento Fickiano e di quello Gaussiano, nonché la dipendenza temporale delle code esponenziali che caratterizzano la distribuzione degli spostamenti. Nel complesso, questi risultati inaugurano una costruttiva contaminazione di idee provenienti da due questioni fondamentali, come quella della transizione vetrosa e della Diffusione Fickiana non-Gaussiana. Da un lato, quest'ultima sembra essere la chiave per comprendere la diffusione a tempi lunghi nei liquidi vetrosi e per re-interpretare concetti apparentemente consolidati, come quello dell'eterogeneità dinamica. D'altra parte, i forti tratti di diffusione Fickiana non-Gaussiana identificati nei liquidi vetrosi possono rappresentare un punto di riferimento per studi futuri di questo fenomeno in altri sistemi.

Titolo completo: F. Rusciano, R. Pastore and F. Greco, Fickian Non-Gaussian Diffusion in Glass-Forming Liquids, Physical Review Letters 128, 168001 (2022).