È nei frattali il segreto del vetro
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Roma 23 maggio 2014 COMUNICATO STAMPA È nei frattali il segreto del vetro Una ricerca coordinata dal fisico della Sapienza Giorgio Parisi ha stabilito che nel processo di formazione del vetro le molecole si organizzano in una gerarchia frattale di stati. Lo studio pubblicato su Nature Communications apre nuove prospettive nella comprensione della natura e del comportamento di questo materiale Le finestre decorate delle cattedrali, le perle di una collana, numerosi oggetti di plastica hanno una cosa in comune: derivano tutti dal vetro, materiale molto diffuso nella vita quotidiana, ma poco conosciuto. Sappiamo per esempio che un polimero amorfo raffreddato a una determinata temperatura, passa dallo stato liquido a quello solido, assumendo le caratteristiche di rigidità e fragilità proprie del vetro, ma non sono chiari ancora i meccanismi di formazione. Un contributo fondamentale nella comprensione della transizione vetrosa è stato fornito dalla ricerca coordinata dal fisico della Sapienza Giorgio Parisi e recentemente pubblicata sulla rivista Nature Communications. Grazie a complesse simulazioni al computer e a calcoli numerici, gli autori dello studio hanno elaborato un modello matematico in grado di rappresentare per la prima volta in modo realistico, la struttura interna del vetro. L’importanza di questo risultato è dovuta al fatto che il vetro, a differenza di altri solidi ha una struttura interna caratterizzata dalla mancanza di ordine tra le molecole che lo costituiscono e dalla instabilità del sistema nei diversi stati della materia. Ciò ha reso difficile la comprensione teorica della natura dello stato vetroso. Gli autori dello studio sono partiti dal comportamento delle molecole durante la transizione vetrosa. Man mano che il liquido si raffredda, i movimenti delle molecole diventano sempre più limitati, fino al punto di non potersi allontanare dalla loro posizione. Sapienza Università di Roma CF 80209930587 PI 02133771002 Capo Ufficio Stampa: Alessandra Bomben Addetti Stampa: Christian Benenati - Marino Midena - Barbara Sabatini - Stefania Sepulcri Addetto Comunicazione: Danny Cinalli Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Roma T (+39) 06 4991 0035 - 0034 F (+39) 06 4991 0399 comunicazione@uniroma1.it stampa@uniroma1.it www.uniroma1.it
Pag 2 Un modo per i ricercatori di visualizzare questo fenomeno è stato quello di considerare il paesaggio energetico, ovvero la mappa di tutte le possibili configurazioni delle molecole del sistema nei diversi stati della materia. È stato dimostrato che nei materiali vetrosi le molecole si organizzano in una gerarchia frattale di stati, ovvero secondo i modelli matematici utilizzati per rappresentare realtà complesse nel mondo naturale come i profili di una montagna o di una costa, le nuvole, e addirittura le galassie. Per descrivere un paesaggio energetico semplice nei vetri i ricercatori hanno fatto ricorso all’immagine degli stagni comunicanti. Quando lʹacqua è alta (metafora della temperatura elevata) le particelle si muovono a loro piacimento da stagno a stagno senza problemi. Ma come il livello dellʹacqua inizia ad abbassarsi (quindi la temperatura scende), le particelle rimangono intrappolate in uno dei piccoli stagni. Alla fine quando gli stagni si svuotano, le molecole rimangono congelate in configurazioni disordinate e rigide. I ricercatori si sono chiesti a lungo che ʺformaʺ avessero esattamente i paesaggi di energia di vetro in fondo agli “stagni”, dove le molecole si bloccano. Teorie precedenti avevano ipotizzato che il fondo degli “stagni” fosse liscio. Gli autori della ricerca, utilizzando simulazioni al computer e calcoli numerici, hanno dimostrato invece che il fondo di questi “stagni” è fortemente corrugato e descrivibile da una teoria frattale. “Questa scoperta – spiega Giorgio Parisi – consente di avere una visione unificata della matematica, della teoria e di diverse proprietà dei vetri. Inoltre ‐ prosegue Parisi ‐ha il potenziale di riunire in un quadro coerente una vasta gamma di comportamenti osservati nei vetri e non ancora spiegati, come le “valanghe”, ovvero movimenti improvvisi di molte molecole ʺ. Fractal free energy landscapes in structural glasses Patrick Charbonneau, Jorge Kurchan, Giorgio Parisi, Pierfrancesco Urbani & Francesco Zamponi ‐ Nature Communications 5, Article number: 3725 doi:10.1038/ncomms4725 http://www.nature.com/ncomms/2014/140424/ncomms4725/full/ncomms4725.html Per interviste Giorgio Parisi Dipartimento di Fisica Sapienza Università di Roma T (+39) 06 49914311 giorgio.parisi@roma1.infn.it
Ansa vetro
Pronto il primo 'ritratto' della struttura del vetro
Studio coordinato dall'Università Sapienza di Roma
(ANSA) - MILANO, 27 MAG - La struttura interna del vetro è
'ritratta' per la prima volta in modo realistico da un modello
matematico che aiuterà a svelare molti dei comportamenti ancora
inspiegati di questo materiale e dei suoi 'cugini' di plastica.
Il risultato, pubblicato su Nature Communications, si deve al
gruppo di ricerca del fisico Giorgio Parisi dell'Università
Sapienza di Roma.
Lo studio dimostra che nei materiali vetrosi le molecole si
organizzano in una gerarchia frattale di stati, ovvero secondo i
modelli matematici usati per rappresentare realtà complesse nel
mondo naturale come i profili di una montagna o di una costa, le
nuvole, e addirittura le galassie. ''Questa scoperta - spiega
Giorgio Parisi - consente di avere una visione unificata della
matematica, della teoria e di diverse proprietà dei vetri.
Inoltre - prosegue - ha il potenziale di riunire in un quadro
coerente una vasta gamma di comportamenti osservati nei vetri e
non ancora spiegati, come le 'valanghe', ovvero movimenti
improvvisi di molte molecole''.
L'importanza di questo risultato è dovuta al fatto che il
vetro, a differenza di altri solidi, ha una struttura interna
caratterizzata dalla mancanza di ordine tra le molecole che lo
costituiscono e dalla instabilità del sistema nei diversi stati
della materia. Ciò ha reso difficile la comprensione teorica
della natura dello stato vetroso.(ANSA).
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Ansa vetro1
ANSA/ Pronto il primo 'ritratto' della struttura del vetro
Studio italiano, aiuterà a capirne il comportamento
(di Elisa Buson)
(ANSA) - MILANO, 27 MAG - Centoquaranta pagine fitte di
complessi calcoli matematici compongono il primo 'ritratto'
della caotica struttura interna del vetro.
Ad elaborare questo modello è stato il gruppo di ricerca
coordinato dal fisico Giorgio Parisi dell'Università Sapienza di
Roma. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, potrà
svelare comportamenti finora inspiegabili di questo materiale e
di altri suoi 'cugini' di plastica, dando un prezioso contributo
per migliorare le attuali tecniche di produzione.
''Il vetro, a differenza di altri solidi, ha una struttura
interna caratterizzata dalla mancanza di ordine tra le molecole
che lo costituiscono e dalla instabilità del sistema nei diversi
stati della materia'', spiega Parisi. ''Ciò ha reso difficile la
comprensione teorica della sua natura: proprio per questo
motivo, il premio Nobel Philip W. Anderson aveva definito il
meccanismo che porta alla formazione del vetro come il problema
più interessante e profondo ancora irrisolto in fisica della
materia''. Per fare luce su questo mistero, i ricercatori hanno
dovuto usare complesse simulazioni al computer e una matematica
estremamente avanzata: grazie a questi strumenti sono riusciti a
visualizzare la transizione vetrosa che si verifica man mano che
il liquido si raffredda e i movimenti delle molecole diventano
sempre più limitati, fino al punto di non potersi allontanare
dalla loro posizione. I risultati dello studio dimostrano che
nei materiali vetrosi le molecole si organizzano in una
gerarchia frattale di stati, ovvero secondo i modelli matematici
usati per rappresentare realtà complesse nel mondo naturale come
i profili di una montagna o di una costa, le nuvole, e
addirittura le galassie.
''E' da più di un secolo che si studia la natura del vetro -
afferma Parisi - e solo negli ultimi vent'anni si stanno
mettendo faticosamente a punto delle teorie per descriverla. Il
nostro studio rappresenta un importante progresso che consente
di avere una visione unificata della matematica, della teoria e
di diverse proprietà dei vetri. Inoltre - prosegue - ha il
potenziale di riunire in un quadro coerente una vasta gamma di
comportamenti osservati nei vetri e non ancora spiegati, come le
microscopiche 'valanghe' di molecole che si registrano durante
la vetrificazione. Il mio auspicio è che nel giro di cinque,
dieci anni sarà possibile avere una visione ancora più
chiara''.(ANSA).
Pagina 1Svelata la fisica del vetro 0 di redazione | Pubblicato il 23 Maggio 2014 16:21 Finestre, bicchieri, specchi e bottiglie: sono decine gli oggetti di vetro con cui abbiamo a che fare ogni giorno. Eppure, nonostante si tratti di un materiale così diffuso, si sa ancora poco dei meccanismi fisici responsabili della sua formazione. Un contributo fondamentale per la comprensione della “transizione vetrosa” arriva oggi da unaricerca coordinata dal fisico della Sapienza Università di Roma Giorgio Parisi, pubblicata su Nature Communications. Grazie a complesse simulazioni alcomputer e a calcoli numerici, gli autori dello studio hanno elaborato infatti unmodello matematico in grado di rappresentare per la prima volta in modo realistico, la struttura interna del vetro. Si tratta di un risultato estremamente importante, perché il vetro, a differenza di altri materiali solidi, ha una struttura interna caratterizzata dalla mancanza di ordine tra le molecole che lo costituiscono e dall'instabilità del sistema nei diversi stati della materia, che fino ad oggi ha ne reso estremamente difficile la comprensione teorica. Nel nuovo studio, i ricercatori sono partiti dal comportamento delle molecole durante latransizione vetrosa. Man mano che il liquido si raffredda infatti, i movimenti dellemolecole diventano sempre più limitati, fino al punto di non potersi allontanare dalla loro posizione. Per visualizzare questo fenomeno, i ricercatori hanno deciso di prendere in considerazione il paesaggio energetico, ovvero la mappa di tutte le possibili configurazioni delle molecole del sistema nei diversi stati della materia, e hanno quindi utilizzato una metafora matematica classica per descriverlo: quella deglistagni comunicanti. Quando l'acqua è alta (metafora della temperatura elevata) le particelle si muovono a loro piacimento da stagno a stagno senza problemi. Ma come il livello dell'acqua inizia ad
abbassarsi (e quindi la temperatura scende), le particelle rimangono intrappolate in uno dei piccoli stagni. Alla fine quando gli stagni si svuotano, le molecole rimangono congelate in configurazioni disordinate e rigide. I ricercatori si sono chiesti quindi che "forma" avessero esattamente i paesaggi di energia di vetro in fondo agli “stagni”, dove le molecole si bloccano, e utilizzando simulazioni al computer e calcoli numerici, sono riusciti quindi a dimostrare che è descrivibile da una teoria frattale. “Questa scoperta consente di avere una visione unificata della matematica, della teoria e di diverse proprietà dei vetri”, spiega Parisi. “Inoltre ha il potenziale di riunire in un quadro coerente una vasta gamma di comportamenti osservati nei vetri e non ancora spiegati, come le “valanghe”, ovvero movimenti improvvisi di molte molecole ".
Agenzia ANSA Pronto il primo 'ritratto' della struttura del vetro Aiuterà a capirne il comportamento 28 maggio, 09:46 Centoquaranta pagine fitte di complessi calcoli matematici compongono il primo 'ritratto' della caotica struttura interna del vetro. Ad elaborare questo modello è stato il gruppo di ricerca coordinato dal fisico Giorgio Parisi dell'Università Sapienza di Roma. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, potrà svelare comportamenti finora inspiegabili di questo materiale e di altri suoi 'cugini' di plastica, dando un prezioso contributo per migliorare le attuali tecniche di produzione. Lo studio dimostra che nei materiali vetrosi le molecole si organizzano in una gerarchia frattale di stati, ovvero secondo i modelli matematici usati per rappresentare realtà complesse nel mondo naturale come i profili di una montagna o di una costa, le nuvole, e addirittura le galassie. ''Questa scoperta - spiega Giorgio Parisi - consente di avere una visione unificata della matematica, della teoria e di diverse proprietà dei vetri. Inoltre - prosegue - ha il potenziale di riunire in un quadro coerente una vasta gamma di comportamenti osservati nei vetri e non ancora spiegati, come le microscopiche 'valanghe' date dal movimento improvviso di molte molecole durante la vetrificazione''. L'importanza di questo risultato è dovuta al fatto che il vetro, a differenza di altri solidi, ha una struttura interna caratterizzata dalla mancanza di ordine tra le molecole che lo costituiscono e dalla instabilità del sistema nei diversi stati della materia. Ciò ha reso difficile la comprensione teorica della natura dello stato vetroso, sotto la lente dei ricercatori da più di un secolo.
SCIENZE E TECNOLOGIE Pronto primo 'ritratto' struttura vetro 15:14 (ANSA) ‐ ROMA ‐ Centoquaranta pagine fitte di complessi calcoli matematici compongono il primo 'ritratto' della caotica struttura interna del vetro. Ad elaborare questo modello è stato il gruppo di ricerca coordinato dal fisico Giorgio Parisi dell'Università Sapienza di Roma. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, potrà svelare comportamenti finora inspiegabili di questo materiale e di altri suoi 'cugini' di plastica, dando un prezioso contributo per migliorare le attuali tecniche di produzione.
29/5/2014 Non c'è vetro senza frattali - Le Scienze
27 maggio 2014
Non c'è vetro senza frattali
Nella vetrificazione, il processo nel quale il vetro allo stato liquido, raffreddandosi, diventa solido, l'insieme delle configurazioni
possibili per le molecole ha una struttura frattale. Lo ha dimostrato un nuovo studio di fisica matematica i cui risultati sono stati
confermati da una simulazione numerica di Folco Claudi
Il vetro è uno dei materiali di uso più comune eppure i dettagli molecolari della vetrificazione, cioè del passaggio dallo stato liquido, che si ha ad alta
temperatura, allo stato solido, via via che si raffredda, finora erano sfuggiti a una completa caratterizzazione fisica.
A dare una descrizione completa dei processi molecolari di questa transizione di fase è riuscito un nuovo studio fisico-matematico pubblicato sulla rivisita
“Nature Communications” e firmato da una collaborazione internazionale in cui figurano, tra gli altri, tre italiani, Giorgio Parisi della Sapienza Università di
Roma, Pierfrancesco Urbani del Centre d’Etudes de Saclay e Francesco Zamponi dell'Ecole Normale Supérieure di Parigi. Il modello in particolare mostra,
con sorpresa, che l'insieme delle diverse configurazioni assunte dalle particelle di vetro quando si verifica la solidificazione ha una struttura frattale.
In termini matematici, un frattale è uno oggetto geometrico dotato di una invarianza di scala: in pratica, esso sembra avere la stessa struttura a qualunque
scala dimensionale lo si consideri. Le strutture frattali si ritrovano spesso in natura, e accomunano oggetti incredibilmente diversi tra loro, quali possono
essere per esempio un broccolo romanesco, un tratto di costa e il bordo di una foglia.
Ora anche il vetro si aggiunge alla lista, non per il suo aspetto, ma per le modalità con cui le sue molecole si comportano nelle transizioni di fase. Queste
ultime sono processi che avvengono quotidianamente sotto gli occhi di ognuno di noi: per esempio, quando l'acqua raggiunge la temperatura di zero gradi
Celsius solidifica e diventa ghiaccio; un campione di vetro o di cera allo stato liquido, raffreddandosi, diventa solido.
“Si tratta però di due transizioni di fase molto differenti”, spiega Parisi a “Le Scienze”. “Nel caso dell'acqua, la solidificazione è improvvisa, mentre nel caso di
un vetro o della cera, il processo è graduale: il liquido raffreddandosi diventa sempre più viscoso fino a diventare un solido a tutti effetti”.
La differenza tra i due processi che avvengono a livello microscopico è fondamentale.
“Quando l'acqua raffreddandosi raggiunge la temperatura di zero gradi, le molecole, inizialmente disordinate, si dispongono ordinatamente in un reticolo
cristallino, mentre nella cera gli atomi disposti in modo completamente disordinato rimangono ugualmente in disordine anche quando si raggiunge lo stato
solido”, aggiunge Zamponi.
Dal punto di vista fisico, il problema è: perché c'è un effetto macroscopico così vistoso, la solidificazione della cera, anche se cambia di pochissimo la
disposizione microscopica delle molecole?
Per spiegare a parole ciò che succede al sistema, può essere utile far riferimento
a una situazione della vita quotidiana.
“Pensiamo a una carrozza delle metropolitana nell'ora di punta, in cui i viaggiatori
all'interno sono molto compressi”, spiega Parisi. “Di solito però ci sono piccoli spazi
vuoti che consentono a una persona di cambiare posizione, perché un'altra
persona magari si sposta di un poco, spingendone altre, e si libera
momentaneamente dello spazio. In queste condizioni basterebbero quattro o
cinque persone in più perché risulti bloccato qualsiasi movimento; però viste
dall'esterno, queste due situazioni non appaiono molto diverse tra loro”.
Nel caso del vetro o della cera, avviene qualcosa del genere. Via via che la
temperatura scende, le molecole diminuiscono i loro moti vibrazionali e rimangono
sempre più bloccate nella loro posizione perché sono bloccate quelle vicine, e così
via. L'idea tradizionale era che per le molecole esistesse un solo modo per
rimanere bloccate. Secondo il risultato di Parisi, Zamponi e colleghi, invece, la
Disegno frattale. Si può notare l'invarianza di scala: la struttura microscopica riproduce quella
macroscopica (© Digital Art/Corbis) transizione di fase avviene con diverse configurazioni delle molecole.
“Torniamo alle persone compresse nella metropolitana: ci possono essere molte situazioni simili tra loro, che sono però leggermente differenti”, continua
Parisi. “Una persona per esempio può alzare un braccio, oppure riuscire a girarsi di 90 gradi: come si dice in fisica, sono possibili configurazioni diverse; lo
stesso accade per le molecole di un vetro che si sta raffreddando”.
Per un dato valore della pressione, le molecole hanno una certa libertà di movimento; via via che la pressione aumenta e la temperatura diminuisce, lo spazio
disponibile per il movimento si riduce sempre più e si frammenta in spazi più piccoli, che non sono più in comunicazione tra loro. Nell'insieme delle
configurazioni possibili e degli spazi disponibili per il movimento si manifesta l'invarianza di scala tipica dei frattali.
Le conseguenze sono importanti anche dal punto di vista delle proprietà fisiche dei materiali.
http://www.lescienze.it/news/2014/05/27/news/vetro_frattali-2159529/ 1/229/5/2014 Non c'è vetro senza frattali - Le Scienze “In una struttura cristallina, ogni atomo che la compone vibra in tutte le direzioni in una piccola regione sferica; urtandosi tra loro gli atomi producono vibrazioni collettive di tutto il cristallo chiamate fononi”, spiega Zamponi. “Quello che abbiamo trovato è che ogni singolo atomo che compone il vetro non può vibrare in una regione sferica, ma in una regione frattale: di conseguenza non si possono produrre fononi ma vibrazioni molto più complicate; per questo le vibrazioni del vetro sono molti diverse da quelle di un cristallo”. Il nuovo risultato si pone come quadro interpretativo del comportamento dei vetri in un campo di ricerca vastissimo, che va dalla caratterizzazione dei vetri industriali a studi di fisica di base. Un settore in cui potrebbe trovare applicazione, sottolineano gli autori, è quello della reologia, in cui si studiano le reazioni dei materiali alle diverse sollecitazioni. http://www.lescienze.it/news/2014/05/27/news/vetro_frattali-2159529/ 2/2
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