Il segreto del vetro in un salto raro? Come si muovono gli atomi un istante prima di solidificare

Il vetro è un paradosso solidificato, un liquido che ha dimenticato come scorrere: i vetri sono infatti solidi rigidi, che però conservano a livello atomico il disordine tipico dei fluidi. Comunemente, un vetro si ottiene raffreddando un liquido al di sotto della sua temperatura di solidificazione tanto in fretta da non lasciare agli atomi il tempo di organizzarsi nell'ordine perfetto di un cristallo; nel raffreddamento il moto degli atomi rallenta vertiginosamente, fino a congelarsi del tutto alla cosiddetta temperatura di transizione vetrosa. Prima di raggiungerla, il liquido si definisce "sottoraffreddato".

Come si muovano le singole particelle in questo peculiare stato sottoraffreddato è una delle domande più affascinanti e ostinate della fisica della materia condensata. Se da un lato, infatti, è noto da decenni che ad una certa temperatura critica T_c, prevista anche da teorie classiche della transizione vetrosa, la dinamica microscopica cambia natura, cosa accada esattamente alle particelle "al di sotto" di T_c è rimasto a lungo un quesito aperto: a pochi gradi centigradi dalla formazione del vetro reale, dove tutto si arresta, i tempi di rilassamento delle particelle diventano semplicemente troppo lunghi da poter essere seguiti, rendendo di fatto il regime ultra-raffreddato un terreno fino ad oggi inaccessibile sia agli esperimenti sia alle simulazioni numeriche.

È proprio questo territorio inesplorato l'oggetto dello studio firmato da Francesco Rusciano, Raffaele Pastore e Francesco Greco (Dipartimento di Ing. Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale, Federico II) in collaborazione con Walter Kob (Università di Montpellier). Lo studio, che unisce simulazioni di dinamica molecolare su larga scala (oltre 50 anni-CPU di calcolo) ad un'analisi statistica del moto di ogni singola particella, è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review X, giornale open access di punta dell'American Physical Society, che seleziona solo ricerche di eccezionale rilievo e innovatività nell'intero panorama mondiale della fisica.

La scoperta dello studio è tanto semplice quanto inattesa: a queste temperature estreme, il rilassamento dell'intero materiale è dettato da eventi rarissimi, ma con conseguenze di grande portata: ciascuna particella resta intrappolata a lungo nella "gabbia" formata dai suoi vicini e, di tanto in tanto, ne evade con un balzo tanto ampio quanto improvviso. Da questi rari salti emergono leggi di scala universali e di sorprendente semplicità. Lo stesso meccanismo fornisce anche una spiegazione microscopica del cosiddetto fenomeno dell'excess wing, un'anomalia nella risposta dei materiali vetrosi alle sollecitazioni esterne, osservata ovunque ma finora priva di spiegazione condivisa.

Lo studio congiunto Napoli-Montpellier ricompone in un quadro unico e microscopicamente fondato fenomeni a lungo dibattuti. Le ricadute potenziali di questa scoperta toccano la comprensione dei fenomeni di trasporto in un'ampia famiglia di materiali amorfi, dai vetri di uso comune a quelli di interesse tecnologico.

F. Rusciano, R. Pastore, F. Greco, and W. Kob, "Rare cage escapes drive relaxation in deeply supercooled liquids", Phys. Rev. X (2026). 

Link all'articolo Open Access.