Indietro nel tempo di 110 milioni di anni per studiare i segni dell’invecchiamento sull’elasticità dei materiali
Una ricerca internazionale coordinata dall’Università Sapienza ha svelato in che modo le proprietà elastiche dei sistemi amorfi evolvono nel tempo. I risultati dello studio, pubblicati sulla rivista The Journal of Physical Chemistry Letters, sono stati ottenuti “ringiovanendo” un fossile di ambra riportandolo al momento della sua formazione
Un team internazionale di ricercatori, guidato da Tullio Scopigno del Dipartimento di Fisica della Sapienza, ha scoperto quali sono gli effetti dell’invecchiamento sulle proprietà elastiche di una resina, utilizzando un fossile millenario di ambra proveniente dal giacimento di El Soplao in Cantabria, scoperto recentemente.
I materiali amorfi come l’ambra (resine, polimeri, vetri e ceramiche) sono metastabili, ovvero si trovano in uno stato intermedio tra il liquido e il solido, e sono soggetti a lenti cambiamenti strutturali, tali che nell’arco di milioni di anni essi compiono una vera e propria evoluzione verso configurazioni più stabili.
La comprensione di quali siano i processi attraverso i quali si compie questo “invecchiamento” è di fondamentale importanza per definire la peculiare natura dei sistemi amorfi che – come spiega Tullio Scopigno – “si sintetizzano generalmente a partire dallo stato liquido, attraverso un processo di raffreddamento del sistema che ne evita la cristallizzazione, cioè la formazione di un solido microscopicamente ordinato. Viene mantenuta la tipica struttura microscopica disordinata del liquido ma portandolo ai livelli di viscosità elevatissimi tipici di un solido”.
Questa categoria di materiali è di grande rilevanza dal punto di vista tecnologico, e trova largo impiego per esempio nella trasmissione dei segnali (fibre ottiche), in microelettronica, optoelettronica e nel fotovoltaico (silicio amorfo) piuttosto che nello sviluppo di plastiche e collanti.
Tuttavia, fino a oggi, la gran parte delle loro proprietà fisiche non è stata ancora totalmente compresa e razionalizzata all’interno di modelli teorici condivisi. La diretta osservazione dell’evoluzione delle proprietà dei vetri presenta infatti una difficoltà pratica non indifferente: essa avviene su scale temporali estremamente lente, inaccessibili all’osservazione sperimentale. Per questa ragione lo studio dell’invecchiamento è stato limitato per lo più ad approcci teorici o computazionali.
Per osservare sperimentalmente gli effetti dell’invecchiamento sulle proprietà di un sistema amorfo dopo un arco temporale geologico di milioni di anni i ricercatori hanno sottoposto il materiale ad un trattamento termico specifico: l’ambra è stata riscaldata per un certo tempo al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, e poi raffreddata alla temperatura ambiente seguendo la convenzionale procedura di vetrificazione.
In questo modo il fossile viene riportato allo stato in cui era quando si è formato per la prima volta. Una sorta di “lifting” termico per cancellare le tracce del tempo e ottenere un ringiovanimento di 110 milioni di anni.
“Il confronto delle proprietà del vetro di ambra prima e dopo un trattamento termico che ringiovanisce il materiale riportandolo allo stato nel quale si è formato 110 milioni di anni fa – conclude Eva Pogna, prima firma dell’articolo – ci ha permesso di collegare per la prima volta, quantificandolo, il grado di disordine di un materiale amorfo alla sua età, rivelando in che modo le proprietà elastiche del materiale sono evolute durante il processo di stabilizzazione”.
Lo studio è frutto di una collaborazione internazionale tra la Sapienza Università di Roma, l’European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble, il Consiglio nazionale delle ricerche, l’Università autonoma di Madrid e l’Istituto italiano di tecnologia.
Riferimenti:
Tracking the Connection between Disorder and Energy Landscape in Glasses Using Geologically Hyperaged Amber– E. A. A. Pogna, A. I. Chumakov, C. Ferrante, M. A. Ramos and T. Scopigno – J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, pp 427–432 Publication Date (Web): January 7, 2019 DOI:10.1021/acs.jpclett.9b00003
