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Martedì, Marzo 09, 2021
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La complessità della transizione di stato a un altro della materia

La fusione del ghiaccio o l'evaporazione dell'acqua sono tra i processi fisici più comuni e familiari a ognuno di noi. Eppure descrivere dal punto di vista microscopico che cosa succede alla materia quando cambia stato o, come si dice più precisamente, quando va incontro a una transizione di fase, per esempio passando da solido a liquido, è sempre stato problematico per i fisici.

In un articolo pubblicato su “Science”, Mark Tuckerman e colleghi della New York University illustrano un nuovo modello della transizione da solido a liquido secondo cui il processo può procedere con due modalità alternative.

“Le transizioni di fase sono sempre state qualcosa di misterioso, poiché rappresentano un cambiamento drastico nello stato della materia: quando un sistema passa da solido a liquido, le proprietà cambiano in modo sostanziale”, spiega Tuckerman. “La nostra ricerca mostra che i cambiamenti di fase possono seguire differenti cammini, il che è contrario a quanto abbiamo saputo finora: ciò significa che le semplici teorie sulle transizioni di fase che si imparano a scuola non sono corrette”.

In un progetto di ricerca durato dieci anni, gli autori hanno sviluppato un impianto teorico e una serie di algoritmi per studiare il comportamento dei sistemi complessi, tra cui le transizioni di fase, che riguardano il comportamento collettivo di un gran numero di atomi o di molecole.

Due strade per un cambiamento di stato

Un campione di ghiaccio di argon a temperatra ambiente mostra due passaggi di stato contemporaneamente: da solido a liquido e da liquido a gas (Wikimedia Commons)

Come prima applicazione, i ricercatori hanno considerato un caso particolare di transizione di fase: la fusione di un solido atomico, per esmepio un metallo come il ferro, composto da innumerevoli legami tra singoli atomi. Questo è un caso più semplice rispetto alla fusione di un campione di ghiaccio, che è un solido molecolare, perché l'acqua è una molecola formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno.

“La scelta è caduta su un solido atomico perché è un utile test per gli strumenti che abbiamo sviluppato per studiare questioni fondamentali come le transizioni di fase”, aggiunge Tuckerman. “La fusione di un solido atomico relativamente semplice come un metallo si è dimostrata un processo estremamente complesso: con le informazioni che abbiamo ottenuto in questo caso, il nostro prossimo obiettivo sarà quello di testare solidi molecolari come l'acqua”.

I risultati mostrano che la transizione di fase non solo può seguire diversi cammini tra loro alternativi, ma che la vera e propria transizione di fase coinvolge almeno due fasi diverse.

La prima di queste due fasi è la formazione di difetti puntiformi, cioè d’imperfezioni locali nel reticolo cristallino che rappresenta la struttura microscopica del metallo. Questi difetti puntiformi sono estremamente mobili. Nella seconda fase, in effetti, i difetti puntiformi migrano in modo casuale e infine si fondono per generare grandi ammassi di difetti.

“Questo meccanismo prevede che la crescita di questi ammassi disordinati proceda dall’esterno del materiale verso l’interno e non dall’interno verso l’interno come prevede la spiegazione attuale”, aggiunge Tuckerman. "Con il passare del tempo, questi ammassi crescono e infine diventano sufficientemente ampi da causare la transizione da solido a liquido”.

Nel processo alternativo, i difetti crescono lungo linee di disordine denominate dislocazioni, che si diramano per tutto il sistema. Nelle regioni di metallo raggiunte dalle dislocazioni iniziano a formarsi “bolle” di liquido che poi si espandono fino a quando tutto il sistema è passato allo stato liquido. Questo modello teorico, secondo lo studio, riesce a spiegare molto bene la fusione del rame e dell’alluminio e già si pensa di verificarlo su altri metalli.


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