Vetro ad alta resistenza, gli scienziati hanno scoperto ciò che lo rende rigido

I ricercatori guidati dall’Università di Tokyo hanno utilizzato un nuovo modello di computer per simulare le reti di particelle che trasportano forza che conferiscono ai solidi amorfi la loro forza anche se mancano di un ordine a lungo raggio. Questo lavoro potrebbe portare a nuovi progressi nel vetro ad alta resistenza, che può essere utilizzato per applicazioni di cucina, industriali e per smartphone.

I solidi amorfi come il vetro, nonostante siano fragili e abbiano particelle costituenti che non formano reticoli ordinati, possono possedere una forza e una rigidità sorprendenti. Ciò è ancora più inaspettato perché i sistemi amorfi soffrono anche di grandi fluttuazioni anarmoniche. Il segreto è una rete interna di particelle portanti la forza che attraversano l’intero solido che conferisce forza al sistema.

Questa rete ramificata e dinamica agisce come uno scheletro che impedisce al materiale di cedere alle sollecitazioni anche se costituisce solo una piccola frazione delle particelle totali. Tuttavia, questa rete si forma solo dopo una “transizione di percolazione” quando il numero di particelle portatrici di forza supera una soglia critica. Man mano che la densità di queste particelle aumenta.

La forza nascosta del vetro

Ora, gli scienziati dell’Istituto di scienze industriali dell’Università di Tokyo hanno utilizzato simulazioni al computer per mostrare attentamente la formazione di queste reti di percolazione mentre un materiale amorfo viene raffreddato al di sotto della sua temperatura di transizione vetrosa. In questi calcoli, sono state modellate miscele di particelle binarie con potenziali repulsivi a intervallo finito. Il team ha scoperto che la forza dei materiali amorfi è una proprietà emergente causata dall’auto-organizzazione dell’architettura meccanica disordinata.

“A temperatura zero, un sistema inceppato mostrerà correlazioni a lungo raggio nello stress a causa della sua rete di percolazione interna. Questa simulazione ha dimostrato che lo stesso vale per il vetro anche prima che si sia completamente raffreddato”, afferma il primo autore Hua Tong.

La struttura portante della forza può essere identificata riconoscendo che le particelle in questa rete devono essere collegate da almeno due forti legami di forza. Dopo il raffreddamento, il numero di particelle che sopportano la forza aumenta, fino a quando una rete che abbraccia il sistema non si collega.

“I nostri risultati possono aprire una strada verso una migliore comprensione dei solidi amorfi da una prospettiva meccanica”, afferma l’autore senior Hajime Tanaka. Poiché il vetro rigido e resistente è molto apprezzato per smartphone, tablet e pentole, il lavoro può trovare molti usi pratici. Lo studio è stato pubblicato su Nature.