Els vidres són materials sòlids amb una estructura tan desordenada que es podrien considerar com a líquids d’una viscositat extraordinàriament elevada. Els trobem a les finestres i vitralls, a les pantalles de televisió i als dispositius mòbils, a la fibra òptica, en materials industrials plàstics i també en l’estat que presenten proteïnes, estructures cel·lulars i teixits vius quan es congelen per criopreservar-los.

Tot i ser tan habituals, és molt difícil desenvolupar teories i models que puguin explicar-ne el comportament en detall. Els mecanismes pels quals un líquid es refreda i esdevé un vidre, i a la inversa, com un vidre es transforma en líquid en escalfar-se, l’anomenada transició vítria, encara no s’acaben d’entendre. Els físics encara no saben del cert si es tracta d’una transició de fase i aleshores es pot considerar el vidre com un estat termodinàmic diferent dels estats líquid i sòlid, o si, al contrari, el vidre és simplement un líquid sotarefredat —refredat per sota de la temperatura de congelació, però mantenint propietats de líquid— on els àtoms o les molècules tenen molt poca mobilitat. Una de les dificultats més grans per entendre aquest procés està en els desafiaments que apareixen per poder visualitzar-lo a través del microscopi amb prou resolució, ja que les estructures del líquid sotarefredat i del vidre són pràcticament indistingibles.

L’investigador Jorge Alcalá, del Departament de Ciència i Enginyeria de Materials de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) i professor de l’ETSEIB, ha format part del grup de recerca que ha presentat una nova metodologia la qual permet observar directament al microscopi què succeeix en un vidre quan s’escalfa per sobre de la temperatura de la transició vítria, l’anomenat procés de relaxació que el transforma en un líquid.

Nova metodologia
L’equip de recerca que ha dut a terme el treball, liderat per investigadors del Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), amb participació també de l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC), a més de la UPC, ha presentat una nova metodologia que permet observar directament al microscopi què succeeix en un vidre quan s’escalfa per sobre de la temperatura de la transició vítria, l’anomenat procés de relaxació que el transforma en un líquid.

Els investigadors han treballat amb vidres orgànics ultraestables, que es preparen mitjançant evaporació tèrmica. Són més densos i exhibeixen una estabilitat cinètica i termodinàmica més grans que els vidres convencionals obtinguts directament a partir de líquids. A diferència dels vidres convencionals que, tal com s’ha vist fins ara, es transformen cap a l’estat líquid de forma global, sense distincions clares entre diferents regions del material, aquests vidres ultraestables fan la transició cap a un estat líquid sotarefredat d’una manera similar a com ho fan els sòlids cristal·lins quan passen a l’estat líquid, amb la formació de zones en fase líquida que van creixent progressivament. Es tracta d’un procés que ja s’ha descrit de manera indirecta mitjançant mesures de nanocalorimetria i que s’ha observat només en models computacionals. 

El nou mètode desenvolupat per poder observar aquesta transició consisteix a inserir el vidre ultraestable a mode de “sandvitx” entre dues capes de vidre amb una temperatura de transició més elevada. Quan la capa de vidre ultraestable s’escalfa per sobre de la seva temperatura de transició, les inestabilitats que s’hi produeixen a la superfície es traslladen a les capes exteriors del “sandvitx” i poden ser observades directament mitjançant un microscopi de forces atòmiques.  

El treball permet seguir en temps real la “desvitrificació” del vidre. Permet quantificar la dinàmica del procés de relaxació en els vidres ultraestables cap a un líquid sotarefredat mitjançant la mesura directa de les distàncies que hi ha entre els dominis líquids que hi van apareixent, mentre s’observa la deformació de la superfície i la seva evolució al llarg del temps. D’aquesta manera s’ha pogut confirmar com aquestes distàncies entre zones líquides són extraordinàriament grans en aquest tipus de vidre, i la correlació d’aquestes distàncies amb les escales de temps del material, tal com havien predit els models computacionals.  

La recerca, que es publica a la revista científica Nature Physics, ha estat liderada pels professors Javier Rodríguez Viejo i Cristian Rodríguez Tinoco, investigadors de la Universitat Autònoma de Barcelona i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2).

Article de referència

• Marta Ruiz-Ruiz, Ana Vila-Costa, Tapas Bar, Cristian Rodríguez-Tinoco, Marta González-Silveira, José Antonio Plaza, Jorge Alcalá, Jordi Fraxedas & Javier Rodríguez-Viejo, 'Real-time microscopy of the relaxation of a glass', Nature Physics (2023) https://doi.org/10.1038/s41567-023-02125-0