Uno studio in collaborazione con l’EPFL costruisce una nuova teoria per spiegare il comportamento collettivo dei liquidi vetrosi a basse temperature. Questo fenomeno ha implicazioni per campi come la scienza dei materiali e la biologia.
Nonostante la sua apparente trasparenza e rigidità, il vetro è un materiale complesso e intrigante. Quando un liquido viene raffreddato per formare il vetro, la sua dinamica rallenta notevolmente, conferendogli proprietà uniche.
Questo processo, noto come "transizione vetrosa", ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni. Ma uno dei suoi aspetti intriganti è l’emergere di "eterogeneità dinamiche", in cui le dinamiche diventano sempre più correlate e intermittenti man mano che il liquido si raffredda e si avvicina alla temperatura di transizione vetrosa.
In un recente studio, i ricercatori propongono un nuovo quadro teorico per spiegare queste eterogeneità dinamiche nei liquidi vetrosi. L’idea è che il rilassamento in questi liquidi avvenga attraverso riarrangiamenti locali che si influenzano a vicenda tramite interazioni elastiche. Studiando l’interazione tra riarrangiamenti locali, interazioni elastiche e fluttuazioni termiche, i ricercatori hanno formulato una teoria globale della dinamica collettiva di questi sistemi complessi.
Questo studio collaborativo è stato condotto dal professor Matthieu Wyart dell’EPFL e dai suoi colleghi del Max Planck Institute di Dresda, dell’ENS, dell’Université Grenoble Alpes e del Dresden Centre for Systems Biology. È stato pubblicato sulla rivista Physical Review X.
Il team ha sviluppato una "teoria di scala" che spiega con successo la crescita della lunghezza di correlazione dinamica osservata nei liquidi vetrosi. Questa lunghezza di correlazione è legata alle "valanghe termiche". Si tratta di eventi rari indotti dalle fluttuazioni termiche, che innescano nuove dinamiche più veloci.
Il quadro teorico dello studio fornisce anche una migliore comprensione della rottura della relazione Stokes-Einstein, un fenomeno in cui la viscosità del liquido è dissociata dalla diffusione delle sue particelle.
Per convalidare le loro previsioni teoriche, i ricercatori hanno effettuato ampie simulazioni numeriche in varie condizioni. Queste simulazioni hanno confermato l’accuratezza della loro teoria scalare e la sua capacità di descrivere le dinamiche osservate nei liquidi vetrosi.
Questo studio non solo fornisce una migliore comprensione della dinamica del vetro, ma suggerisce anche un nuovo approccio alle dinamiche intermittenti di alcuni sistemi complessi. Tale intermittenza si verifica in molti fenomeni, dall’attività cerebrale all’attrito tra oggetti solidi.
"Il nostro lavoro consiste nel collegare la crescita della lunghezza di correlazione dinamica nei liquidi a rilassamenti di tipo valanga, ben studiati in particolare nel contesto dei magneti disordinati, dei materiali granulari e dei terremoti", spiega Matthieu Wyart. "Questo approccio ci permette di creare collegamenti inaspettati tra altri campi. La nostra descrizione di come le valanghe siano influenzate da fluttuazioni esogene, comprese quelle termiche, può quindi essere di interesse più generale". "
Riferimenti
Ali Tahaei, Giulio Biroli, Misaki Ozawa, Marko Popovic, Matthieu Wyart. Descrizione scalare dell’eterogeneità dinamica e delle valanghe di rilassamento nei liquidi vetrosi. Physical Review X, 21 settembre 2023. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031034
