Zero assoluto di fuoco

Il vetro superfreddo potrebbe sciogliersi

di Andrea Signori

A volte capita. Sei lì che pensi e ripensi a quel problema: devi farcela. Allora ti metti comodo e sfoderi le tue armi: una mano nei capelli shakera i neuroni, l’altra brandisce una matita. Ecco! Hai avuto un’idea… Ti frulla in testa e ti sembra sensata. Basta che funzioni. Ma quando dalla tua idea e dalle deduzioni fisiche conseguenti (che ti sono costate un pomeriggio di lavoro) emerge un palese nonsenso… le reazioni possono essere due: buttare via tutto e maledire le idee malsane oppure conservare fiduciosi l’idea e riprovare.

Che la seconda sia la meno facile da percorrere ma la più fruttuosa non è soltanto il motto della Società Italiana di Fisica (SIF)) a ricordarcelo. Da oggi anche la scoperta di Thomas Markland, David Reichman, chimici della Columbia University, e dei loro colleghi lo testimonia. “Qualche anno fa”, racconta Reichman, “sviluppando con carta e penna alcune idee riguardanti la natura del vetro, ottenemmo un risultato inaspettato: sembravano predizioni ridicole”. Oggi quei risultati apparentemente assurdi sono confermati da approfondite simulazioni informatiche, tanto da essere accettati e pubblicati in un articolo dalla rivista “Nature Physics”. Secondo il gruppo di chimici e fisici il vetro si scioglie in prossimità dello zero assoluto, proprio come il cioccolato in un pentolino. Già, peccato però che lo zero assoluto si trovi a -273.15 gradi Celsius. Ma è presto spiegato: in questo risultato in apparenza insensato c’è lo zampino della meccanica quantistica. E allora ci si può aspettare proprio di tutto.

Un frammento di moldavite, vetro naturale formatosi nell’impatto di un meteorite con la Terra.

Che cosa sappiamo sulla natura del vetro? E’ un solido? No. E’ un liquido? Nemmeno. E’ una via di mezzo. Quando un liquido è raffreddato sotto la temperatura di fusione, cristallizza, cioè si solidifica. Un esempio per tutti l’acqua che ghiaccia. Può accadere però che, pur essendo a una temperatura sufficientemente bassa, il passaggio alla fase solida non avvenga. Ciò a causa di un numero insufficiente di centri di nucleazione (punti in cui molecole di liquido si “saldano” formando un cristallo). In tal caso si parla di liquidi superfreddi.

Il vetro è la fase liquida superfredda di materiali con viscosità elevata, tale da garantire una coesione fra le molecole simile a quella di un solido. In gergo tecnico la fase liquida superfredda è uno stato metastabile, cioè non è la configurazione prediletta dalla fisica (a minima energia). Perché allora il vetro esiste stabilmente e fa bella mostra di sé in ogni edificio? In teoria potrebbe transire alla fase solida in ogni istante: è quanto accade nei processi di devetrificazione. La transizione alla fase liquida, invece, è più complicata e assai meno probabile. Infatti a causa della bassa temperatura non c’è sufficiente energia affinché le molecole rompano i legami che le tengono assieme. Quindi niente paura: non c’è alcun pericolo che ti si sciolgano i vetri alle finestre.

Tuttavia Markland e i suoi colleghi sostengono che, raffreddando ulteriormente la fase superfredda in prossimità dello zero assoluto, può avvenire lo scioglimento: dove fallisce il calore dell’ambiente, riesce il freddo assoluto. Il raffreddamento smorza i moti oscillatori delle molecole, la cui funzione d’onda, di conseguenza, risulta fortemente localizzata attorno alla posizione d’equilibrio. E qui la meccanica quantistica compie il suo colpo di scena. Il principio di indeterminazione suggerisce che la funzione d’onda delle molecole sia una sovrapposizione di infinite autofunzioni dell’impulso, cioè che a ciascuna molecola competano, potenzialmente, infiniti valori dell’energia. In particolare, anche quelli necessari a rompere i legami oltrepassando per effetto tunnel le barriere intermolecolari. Ecco che, con una certa probabilità, è permessa la transizione alla fase liquida.

C’è da dire che non esistono ancora prove sperimentali. Siamo al livello della simulazione informatica, che conferisce comunque autorevolezza e veridicità. Anche se, come diceva Richard Feynman, “l’esperimento è il solo giudice della verità scientifica”. Nell’articolo pubblicato su “Nature Physics” si considerano anche effetti quantistici a temperature superiori, che rafforzano i legami nello stato vetroso. “Lo studio della fase vetrosa e delle sue transizioni ha ricadute pratiche in ambito computazionale”, commenta Reichmann. “Il passaggio dal ‘facile’ al ‘difficile’ è molto simile alla transizione liquido-vetro. Il nostro lavoro dimostra che l’inserimento di effetti tipicamente quantistici non semplifica la ricerca di stati stabili della fase vetrosa, ma la complica in modo considerevole”. Insomma, vale sempre il detto di Einstein: “Make physics simple, but not simpler”.

Markland, T., Morrone, J., Berne, B., Miyazaki, K., Rabani, E., & Reichman, D. (2011). Quantum fluctuations can promote or inhibit glass formation Nature Physics, 7 (2), 134-137 DOI: 10.1038/nphys1865