VETRI ESPOSTI AI RAGGI X Osservato per la prima volta il comportamento di questo
materiale quando raggiunge il punto di cedimento tramite irraggiamento con
raggi X. Non si comporta più come un solido, ma come un liquido. Un vetro è, essenzialmente, un liquido che può fluire e
scorrere, ma con tempi estremamente lunghi. Quando la sua temperatura è
sufficientemente bassa rispetto alla quella di fusione (nota come temperatura
di transizione vetrosa), il tempo necessario perché il vetro fluisca è praticamente
infinito e siamo di fronte a un solido propriamente detto. Un vetro a
temperatura sufficientemente bassa è dunque un solido che, a livello
microscopico, conserva la struttura disordinata tipica di un liquido o –
come a volte si dice – è un “liquido congelato’”. I vetri, quindi, si comportano come tutti gli altri solidi: se
sottoposti a una piccola trazione esterna si deformano elasticamente come delle
molle, sostengono questi sforzi esterni per poi ritornare alla loro forma
iniziale una volta eliminata la sollecitazione. Se la trazione porta a una
deformazione che supera un valore limite (che dipende dal materiale), i vetri
cominciano a presentare una risposta “plastica”: se si smette di tirare il
materiale, esso non ritorna più alla forma iniziale ma resta parzialmente
deformato in modo permanente. La deformazione plastica corrisponde a una
successione di eventi microscopici in ciascuno dei quali un gruppo di una
decina di atomi, vicini tra loro, si sposta in maniera coordinata. Sono
spostamenti non reversibili e le nuove posizioni atomiche restano tali anche
quando la trazione esterna viene eliminata. L’accumularsi nei vetri di questi eventi plastici può dar luogo
a fenomeni spettacolari: se un vetro è tirato sufficientemente si arriva a un punto
di cedimento in cui le zone plastiche diventano così numerose da cambiare
le proprietà del sistema stesso. La maggior parte dei vetri a cui siamo
abituati (vetri silicati) sono fragili e, al punto di cedimento, si
frantumano catastroficamente. Altri vetri, come alcune plastiche, sono invece duttili
e, al punto di cedimento, cominciano a fluire come farebbe un vero e proprio
liquido. Questi processi sono stati studiati in dettaglio con misure
macroscopiche andando ad osservare, per esempio, la risposta del sistema a
sollecitazioni meccaniche. Molte domande rimangono però ancora aperte, in
particolare riguardo al moto degli atomi fino al cedimento. Studiare il punto
di cedimento in vetri ossidi è molto difficile sperimentalmente perché il
vetro, in trazione, di solito si frantuma. Tuttavia irraggiandolo con i raggi X
è possibile studiare con risoluzione atomica quello che non si può fare con le
classiche tecniche di laboratorio. Lo studio del team di ricercatori dell’Università di Padova,
Università di Trento, Centro DESY di Amburgo e Università di Bruxelles guidato
dal Professor Giulio Monaco del Dipartimento di Fisica e Astronomia
"Galileo Galilei" dell’Ateneo patavino recentemente pubblicato su «Physical
Review X» con il titolo “Reaching the Yield Point of a Glass During
X-Ray Irradiation” apre nuove prospettive sulle proprietà
elasto-plastiche in vetri fragili come, ad esempio, quelli delle finestre delle
nostre case. Grazie all’uso di luce di sincrotrone prodotta in grandi
acceleratori di elettroni, come quello di DESY ad Amburgo, si sono generati
fasci di raggi X con dosi di radiazione assorbita miliardi di volte maggiori di
quelle utilizzate per uso medico. Quando questi fasci sono stati indirizzati su
vetri gli atomi vengono spostati dalla loro posizione iniziale e cominciano a
muoversi. «Il fenomeno è stato studiato dal nostro gruppo – dice Giulio
Monaco team leader della ricerca – e abbiamo visto che questi atomi non
seguono le leggi della semplice diffusione, ma piuttosto processi più complessi
come l’iper-trasporto. Abbiamo visto come tali meccanismi, originati
dall’assorbimento di raggi X, possono essere utilizzati sia per portare il
vetro fino al punto di cedimento che per studiare come cambiano le proprietà
meccaniche alla scala atomica man mano che il vetro si avvicina a tale punto». «Siamo riusciti a seguire come cambia la natura del vetro man
mano che procede l’irraggiamento – continua Alessandro Martinelli –.
Quando i raggi X vengono assorbiti dal vetro lasciano dei “difetti”, ovvero
atomi spostati rispetto alla propria configurazione di equilibrio. Questo però
è un effetto non localizzato, cioè “tutti” gli atomi attorno al difetto vengono
perturbati, e ciò si ripercuote a tutto il materiale. Come per un sasso gettato
in un punto dello stagno, la posizione in cui la radiazione viene assorbita, le
onde generate si propagano sulla superficie con un effetto minore quanto più
lontani si è dal punto di impatto». «Possiamo immaginare i difetti generati dai raggi X come
minuscole molle compresse che esercitano una piccola forza sugli atomi vicini.
Aggiungendo sempre più molle, cioè aumentando l’assorbimento dei raggi X, siamo
stati in grado di monitorare le proprietà meccaniche del vetro all’aumentare
del numero di difetti generati – spiega Francesco Dallari –. Il processo
è simile a quello che accade quando un materiale viene compresso o tirato, ma
qui il tutto avviene alla scala del decimilionesimo di millimetro». «Quando si comincia a irraggiare un vetro quest’ultimo risponde
come una molla, ovvero elasticamente. Gli atomi si spostano come biglie, con
movimenti a velocità (media) costante. Tuttavia aumentando l’irraggiamento, e
quindi il numero di difetti, gli spostamenti diventano sempre più lunghi e
intermittenti, con accelerazioni improvvise. Ad un certo punto, però, il vetro
mostra delle proprietà completamente inaspettate: se il numero di difetti è
abbastanza elevato il sistema non si comporta più come un solido, ma come un
liquido – conclude Giulio Monaco –. Questo comportamento, che
caratterizza il punto di cedimento, non era mai stato osservato attraverso
l’irraggiamento con raggi X. Questo studio è il primo caso di raggiungimento
del punto di cedimento tramite irraggiamento con raggi X, dove si osserva la
transizione di un solido elastico a un solido plastico. Questo studio apre
dunque nuove prospettive per lo studio delle proprietà meccaniche nei vetri,
con un approccio locale e una risoluzione atomica, ma mostra allo stesso tempo
come trasformare un vetro inizialmente fragile in un vetro duttile, con possibile
interesse anche a livello di applicazioni». Link alla
ricerca: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041031 Titolo: “Reaching the Yield Point of a Glass During
X-Ray Irradiation” - «Physical Review X» 2023 |