Vetro: né solido né liquido, questo materiale comune ma complicato continua a sorprendere gli scienziati

Professore di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State

Candidato al dottorato in Scienza dei materiali, Penn State

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Penn State fornisce finanziamenti in qualità di partner fondatore di The Conversation US.

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Il vetro è un materiale dai molti volti: è antico e moderno, resistente ma delicato e capace di assumere quasi ogni forma o colore. Queste proprietà del vetro sono il motivo per cui le persone lo usano per realizzare qualsiasi cosa, dagli schermi degli smartphone, ai cavi in ​​fibra ottica, alle fiale che contengono i vaccini.

L’umanità ha utilizzato il vetro in qualche modo per millenni e i ricercatori ne stanno ancora trovando nuovi usi. Non è raro sentire il fatto spesso ripetuto che il vetro è in realtà un liquido, non un solido. Ma la realtà è molto più interessante: il vetro non rientra perfettamente in nessuna di queste categorie ed è per molti versi uno stato della materia a sé stante. Essendo due scienziati dei materiali che studiano il vetro, cerchiamo costantemente di migliorare la nostra comprensione di questo materiale unico e di scoprire nuovi modi di utilizzare il vetro in futuro.

Il modo migliore per comprendere il vetro è capire come è fatto.

Il primo passo per produrre il vetro richiede il riscaldamento di una miscela di minerali – spesso carbonato di sodio, calcare e sabbia di quarzo – finché non si sciolgono in un liquido a circa 2.700 gradi Fahrenheit (1.480 gradi Celsius). In questo stato i minerali scorrono liberamente nel liquido e si muovono in modo disordinato. Se questo liquido si raffredda abbastanza velocemente, invece di solidificarsi in una struttura organizzata e cristallina come la maggior parte dei solidi, la miscela si solidifica mantenendo la struttura disordinata. È la struttura atomicamente disordinata che definisce il vetro.

Su tempi brevi, il vetro si comporta in modo molto simile a un solido. Ma la struttura liquida del vetro fa sì che, per un periodo di tempo sufficientemente lungo, il vetro subisca un processo chiamato rilassamento. Il rilassamento è un processo continuo ma estremamente lento in cui gli atomi in un pezzo di vetro si riorganizzano lentamente in una struttura più stabile. Nel corso di 1 miliardo di anni, un tipico pezzo di vetro cambierà forma di meno di 1 nanometro, circa 1/70.000 del diametro di un capello umano. A causa del lento tasso di cambiamento, il mito secondo cui le vecchie finestre sono più spesse nella parte inferiore a causa della gravità che secoli fa esercita una pressione sul vetro che scorre lentamente non è vero.

Colloquialmente, la parola vetro si riferisce spesso a una sostanza dura, fragile e trasparente composta da sabbia fusa, soda e calce. Eppure esistono molti tipi di vetro che non sono trasparenti e il vetro può essere realizzato con qualsiasi combinazione di elementi purché la miscela liquida possa essere raffreddata abbastanza velocemente da evitare la cristallizzazione.

Gli esseri umani usano il vetro da più di 4.000 anni, e alcuni dei primi usi sono stati perline di vetro decorative e punte di freccia. Gli archeologi hanno anche scoperto prove di laboratori di vetro risalenti a 2.000 anni fa. Uno di questi antichi laboratori è stato scoperto vicino ad Haifa, nel moderno Israele, e risale al 350 d.C. circa. Lì, gli archeologi hanno scoperto pezzi di vetro grezzo, forni per la fusione del vetro, recipienti di vetro utilitaristici e detriti della soffiatura del vetro.

La moderna produzione del vetro è iniziata all'inizio del XX secolo con lo sviluppo di tecniche di produzione di massa per bottiglie di vetro e lastre di vetro piatto. Il vetro è diventato una parte essenziale dell’industria elettronica e delle telecomunicazioni nell’ultima parte del XX secolo e ora costituisce la spina dorsale di Internet.

Oggi gli scienziati vanno ben oltre il semplice utilizzo del vetro come materiale per una tazza o uno specchio. All'avanguardia della ricerca sul vetro c'è la capacità di manipolare la sua complessa struttura atomica e il processo di rilassamento per ottenere determinate proprietà.

Poiché il vetro è atomicamente disordinato e cambia continuamente, è probabile che due punti qualsiasi su un pezzo di vetro abbiano proprietà leggermente diverse, che si tratti di resistenza, colore, conduttività o qualcos'altro. A causa di queste differenze, due vetri simili realizzati nello stesso modo utilizzando gli stessi materiali possono comportarsi in modo molto diverso.