Nuovi vetri ionici riscrivono le regole della fisica dello stato vetroso

Una scoperta che mette in discussione uno dei pilastri della fisica dei materiali disordinati arriva da una collaborazione internazionale tra ricercatori italiani e olandesi. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, descrive una nuova classe di materiali vetrosi ionici in cui viene osservata, per la prima volta, un’inversione del legame tra fragilità del vetro e spettro di rilassamento, una relazione considerata finora universale.

Alla ricerca ha contribuito anche Alessio Zaccone, docente di Metodi matematici della fisica presso l’Università degli Studi di Milano, il cui lavoro teorico ha fornito il quadro interpretativo necessario per comprendere questo comportamento anomalo.

Quando la “fragilità” non segue più le regole

Nel linguaggio della fisica dei vetri, la fragilità descrive quanto rapidamente la dinamica di un liquido rallenti avvicinandosi alla transizione vetrosa. Nei sistemi tradizionali, i materiali più fragili mostrano un aumento vertiginoso della viscosità in un intervallo di temperatura molto ristretto, accompagnato da uno spettro di rilassamento ampio e fortemente non esponenziale, segnale di dinamiche cooperative complesse.

Il risultato più sorprendente dello studio riguarda proprio questo punto: nei nuovi vetri ionici organici, costituiti da polimeri con interazioni elettrostatiche a lungo raggio, questa relazione si capovolge. Materiali classificabili come “forti”, quindi poco fragili, presentano uno spettro di rilassamento insolitamente ampio e complesso.

Un comportamento che rompe un paradigma consolidato e suggerisce che le proprietà dinamiche dei vetri non siano governate da leggi universali, ma dipendano in modo più profondo dalla natura microscopica delle interazioni tra le particelle.

Il ruolo delle interazioni ioniche e la chiave teorica

Il contributo teorico sviluppato da Zaccone chiarisce l’origine di questa inversione. Le interazioni ioniche a lungo raggio aumentano l’energia coesiva del materiale e ne riducono l’espansione termica, rendendo il sistema più stabile e meno fragile dal punto di vista termodinamico e meccanico.

Parallelamente, però, la presenza di cariche elettriche lungo le catene polimeriche introduce una forte eterogeneità dinamica: diverse regioni del materiale evolvono su scale temporali molto differenti. Questo fenomeno si traduce in uno spettro di rilassamento estremamente ampio, descritto matematicamente da un esponente di Kohlrausch molto basso.

Ne emerge un quadro in cui il materiale si comporta come “forte” durante la transizione allo stato vetroso, ma mostra una risposta meccanica complessa e altamente dissipativa. Due proprietà che, fino a oggi, erano considerate difficilmente conciliabili nello stesso sistema.

Materiali su misura: nuove prospettive applicative

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre l’ambito teorico. I nuovi vetri ionici combinano caratteristiche finora ritenute incompatibili: la lavorabilità tipica dei vetri forti, come la silice, e la capacità di dissipare energia propria dei polimeri.

Questa combinazione apre scenari interessanti per lo sviluppo di materiali avanzati, in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche e allo stesso tempo assorbire vibrazioni. Applicazioni potenziali si estendono dai dispositivi per l’isolamento vibrazionale fino a componenti strutturali ad alta resilienza.

La possibilità di separare fragilità e spettro di rilassamento introduce inoltre un nuovo grado di libertà nella progettazione dei materiali, consentendo di modulare proprietà fisiche in modo più preciso e mirato.

Il lavoro evidenzia come un approccio teorico rigoroso possa portare alla revisione di principi consolidati, offrendo strumenti interpretativi capaci di guidare la ricerca sperimentale e l’innovazione tecnologica. In questo contesto, la fisica dei materiali disordinati continua a dimostrarsi un terreno fertile per scoperte che incidono direttamente sullo sviluppo di tecnologie future.