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Un team di ricercatori negli Stati Uniti ha compiuto una svolta significativa nella scienza dei materiali, trovando una possibile spiegazione teorica al paradosso risalente alla fine degli anni '40 del secolo scorso, noto come il segreto del 'vetro ideale' o paradosso di Kauzmann. Nel 1948, Walter Kauzmann ipotizzò l'esistenza di un materiale amorfo con un'entropia minima (quasi nulla) che, pur mantenendo una disposizione caotica delle particelle, possedesse una stabilità e un ordine eccezionali. Questo 'vetro ideale' rimase un concetto teorico, mai realizzato concretamente.
Ora, un gruppo di fisici dell'Università dell'Oregon ha condotto una ricerca teorica che suggerisce la possibilità teorica di creare questo 'vetro ideale'. Per decenni, gli scienziati hanno considerato paradossale l'esistenza di tale stato, poiché il raffreddamento convenzionale di una soluzione liquida o di una massa fusa fino allo stato vetroso non permette di raggiungere il vero minimo di energia (degli atomi, delle molecole o delle particelle) senza che avvenga la cristallizzazione.
La svolta chiave è arrivata quando i ricercatori hanno introdotto un 'trucco' in una simulazione computerizzata. Riproducendo un materiale amorfo bidimensionale, hanno permesso alle particelle di variare le proprie dimensioni durante il processo di compattazione, man mano che si raffreddavano. Questo ha fornito un ulteriore grado di libertà e ha permesso di creare una configurazione in cui la struttura del materiale, durante la solidificazione, rimane completamente amorfa, raggiungendo al contempo uno stato di iper-ordinamento. L'energia delle particelle scende al di sotto di quella raggiungibile con la cristallizzazione, ma la cristallizzazione stessa non si verifica.
Il modello ha dimostrato che, in questo caso, ogni particella nel materiale avrebbe in media sei contatti con le particelle vicine; sarebbero assenti ammassi e vuoti e, meccanicamente, il materiale si comporterebbe come un cristallo ideale. In caso di sollecitazione esterna (ad esempio, un impatto), le vibrazioni si propagherebbero uniformemente, come in un diamante. La risoluzione del paradosso di Kauzmann avviene perché i metodi tradizionali (raffreddamento lento) non sono effettivamente in grado di portare al vetro ideale in un tempo finito: il sistema rimane bloccato in stati metastabili con entropia in eccesso. Tuttavia, la simulazione dimostra che tale stato non è in contrasto con la fisica, ma richiede solo un metodo di formazione non standard.
Questo 'vetro ideale' mostra le proprietà di un cristallo (elevata stabilità, rigidità ed elasticità), pur rimanendo amorfo nella struttura. La scoperta ha una notevole importanza teorica per la comprensione dei sistemi vetrosi e amorfi in generale e apre prospettive per la ricerca di nuovi approcci alla creazione di materiali amorfi ultra-stabili.
Ad esempio, in questo stato, i metalli potrebbero essere amorfi anziché cristallini, mantenendo la conduttività elettrica e acquisendo elasticità e maggiore rigidità, il che potrebbe trovare applicazione nel settore aerospaziale. A livello più pratico, anche i pannelli solari sui tetti e nelle aziende agricole beneficerebbero di un vetro più resistente alla grandine e ai danni, che sia al contempo elastico e rigido.
Purtroppo, gli scienziati non conoscono ancora metodi per produrre tali materiali. Ma la fisica di questi stati è già una promessa di possibilità future. Le tecnologie possono essere non solo perdute, ma anche non ancora acquisite. La ricerca continua a concentrarsi sulla traduzione di questa scoperta teorica in applicazioni pratiche, aprendo un nuovo capitolo nell'ingegneria dei materiali e nella possibile creazione di dispositivi e strutture con prestazioni senza precedenti. Le implicazioni di questa ricerca potrebbero estendersi a numerosi settori, dalla medicina all'elettronica, promettendo un futuro in cui i materiali 'impossibili' diventano realtà.
