Si trasforma, basta aspettare

La materia soffice, come suggerisce il nome, racchiude quei materiali facilmente deformabili con proprietà intermedie tra quelle dello stato solido e liquido, per esempio le argille colloidali. In uno studio pubblicato su Nature Communications, ricercatrici dell’Istituto dei sistemi complessi (Isc) del Cnr, in collaborazione con la Sapienza Università di Roma e l’Istituto italiano di tecnologia, hanno dimostrato che il vetro si trasforma col tempo osservando la disposizione spaziale delle nanoparticelle che lo compongono, in questo caso dischetti di argilla colloidale che spontaneamente passano da una disposizione totalmente disordinata a una parzialmente disordinata a “castello di carte”.  

“In natura, le transizioni da uno stato di aggregazione all’altro della materia sono in genere dovute al cambiamento di un parametro esterno, come la temperatura. La grande novità di questa scoperta è che, per innescare il passaggio di stato, abbiamo dovuto semplicemente aspettare il passare del tempo”, spiega Roberta Angelini del Cnr-Isc.

Nello specifico, le ricercatrici hanno osservato la disposizione e il moto microscopico delle particelle in due vetri differenti, studiando una dispersione di argilla colloidale mediante tecniche spettroscopiche avanzate di raggi X con luce di sincrotrone, disponibili presso l’European Synchrotron Radiation Facility (Esrf) di Grenoble. “Una maggiore comprensione della transizione e della natura delle interazioni tra i due vetri è poi emersa dal confronto tra i risultati sperimentali e le simulazioni portate avanti da Emanuela Zaccarelli, dirigente di ricerca del Cnr-Isc, confermando a livello sperimentale l'esistenza, mai rilevata precedentemente, di una transizione spontanea nella materia soffice tra due vetri”, prosegue la ricercatrice.

Questi risultati mostrano come le scoperte di materiali innovativi e ingegnerizzabili non possono prescindere dall'utilizzo della cosiddetta materia soffice, il cui studio sta prendendo sempre più piede nella fisica moderna, dimostrando come esistano molti altri stati esotici di aggregazione della materia, oltre ai classici solido, liquido e gassoso, quali per esempio i gel. “Le dispersioni di argille colloidali, come la Laponite, si presentano sotto forma di liquido, gel e vetro e vengono usate sia in ambito tecnologico, sia nella vita quotidiana, come addensanti per vernici, cosmetici o prodotti per la pulizia domestica. Si tratta di sistemi modello particolarmente interessanti sia per la ricerca di base, sia per le molteplici applicazioni tecnologiche che il nostro gruppo studia con successo da anni”, aggiunge Barbara Ruzicka del Cnr-Isc. “Con questo studio abbiamo capito che la stabilità a lungo termine dei materiali disordinati come i vetri dipende da come le particelle interagiscono e si dispongono a livello microscopico. Il loro controllo permette quindi di agire sulle proprietà del materiale, che risulta così ambivalente e utilizzabile in vari ambiti, dalle nanotecnologie al trasporto di farmaci”.

Le ricercatrici continuano la loro ricerca sulla fisica dei vetri e su materiali soffici diversi da quelli utilizzati negli studi precedenti, i cui meccanismi di auto-aggregazione per la formazione di un vetro non sono più guidati dal tempo ma da parametri come la concentrazione di particelle colloidali, la temperatura, il pH e il contenuto di polimero delle particelle stesse.

Fonte: Roberta Angelini, Istituto dei sistemi complessi, e-mail: roberta.angelini@cnr.it; Barbara Ruzicka, Istituto dei sistemi complessi, e-mail: barbara.ruzicka@cnr.it

Per saperne di più:

Glass–glass transition during aging of a colloidal clay
Roberta Angelini, Emanuela Zaccarelli, Flavio Augusto de Melo Marques, Michael Sztucki, Andrei Fluerasu, Giancarlo Ruocco, Barbara Ruzicka; Nature Communications, volume 5, Article number: 4049 (2014)

Relaxation Dynamics, Softness, and Fragility of Microgels with Interpenetrated Polymer Networks
V. Nigro, B. Ruzicka, B. Ruta, F. Zontone, M Bertoldo, E. Buratti, and R. Angelini; Macromolecules 53, 1596-1603 (2020)

Glass and Jamming Rheology in Soft Particles made of PNIPAM and polyacrylic acid
S. Franco, E. Buratti, V. Nigro, E. Zaccarelli, B. Ruzicka and R. Angelini; International Journal of Molecular Science 22, 04032 (2021)