RICERCA ITALIANA     

Dinamica vibrazionale e rilassamenti in vetri densificati e in sistemi disordinati confinati

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Il presente progetto propone una ricerca coordinata fra le Unita' dell'Aquila, Camerino, Messina, Perugia e Trento, sull'argomento dell'interazione fra dinamica vibrazionale, fenomeni di rilassamento e caratteristiche strutturali nei sistemi disordinati, e sulle correlazioni esistenti fra queste classi di fenomeni, con riferimento anche ai sistemi vetrosi e a liquidi/vetri anche in condizioni di confinamento. Questo tipo di attività è di grande importanza sia per la ricerca di base, che per varie applicazioni. Infatti i materiali disordinati comunemente impiegati nella tecnologia soffrono, ad esempio, il fenomeno dell'invecchiamento, ovvero un deterioramento di molte proprietà macroscopiche che, a livello atomico/microscopico, è determinato dalla dinamica di rilassamento. Oltre a questo, il comportamento di sistemi confinati in fasi disordinate sta diventando sempre più importante per la rilevanza in vari settori sia della fisica di base e per le applicazioni in numerosi settori che impiegano, o sono legati, al comportamento di fasi nano-strutturate. In particolare, si studieranno le caratteristiche delle onde acustiche propaganti, a frequenza elevate nell’intervallo fra GHz e THz, e come queste sono determinate sia dal disordine strutturale che dall'interazione fra i modi propaganti e i processi di rilassamento. Le correlazioni fra le proprietà vibrazionali e quelle, quali la viscosità effettiva nella regione delle lunghezze d’onda a scala >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Francesco Sacchetti Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il principale obiettivo del presente programma di ricerca è una migliore comprensione dei meccanismi di interazione e di correlazione esistenti fra i modi vibrazionali e i fenomeni di rilassamento che sono presenti in vari sistemi disordinati quali vetri (forti e fragili) e nei sistemi correlati da un simile stato di disordine che sono basati sull’acqua di idratazione in molecole biologiche e membrane a scambio ionico. Le interazioni in questione si manifestano in varie proprietà del sistema. Da un lato, esse, insieme alla presenza di disordine strutturale, attenuano le onde acustiche propaganti (modi di fluttuazione di densità), dall'altro, introducono correlazioni fra le proprietà vibrazionali e quelle governate dalla diffusione degli atomi. Gli obiettivi specifici del progetto sono i seguenti:

1) Studio, con varie tecniche sperimentali, della distribuzione in frequenza e dell’attenuazione delle onde acustiche propaganti. I dati disponibili al momento indicano che sia il disordine strutturale che i rilassamenti contribuiscono all'attenuazione, in misura dipendente sia dalla temperatura che dal vettore di propagazione Q dell'onda. A alti valori di Q prevale il meccanismo strutturale, mentre a valori bassi prevale quello dinamico, e nella regione intermedia esiste un meccanismo la cui natura non è ancora nota. La rilevanza della struttura microscopica e mesoscopica dei vari sistemi è inoltre ancora tutta da indagare. Ci si propone pertanto >>>

Risultati parziali attesi

Come descritto in precedenza, la conoscenza disponibile nel campo della dinamica e processi correlati (e.g. rilassamenti) nei vetri e nei liquidi sottoraffreddati, sebbene sia cresciuta notevolmente nell’ultimo decennio grazie al continuo miglioramento dei mezzi sperimentali di indagine, risulta ancora limitata ad una fase di raccolta di informazione e sviluppo di relazioni a carattere empirico e fenomenologico. La grande varietà dei sistemi disordinati rende comunque molto complessa la raccolta delle informazioni in quanto campioni anche chimicamente o strutturalmente molto diversi hanno comportamenti simili ed è difficile prevedere a priori la classe di appartenenza (e.g. rigidità) di un materiale nuovo. Nel presente progetto si ritiene che sia molto utile procedere a variare le condizioni di preparazione dei campioni al fine di variarne le caratteristiche senza variare la composizione chimica del sistema e senza dover cambiare le condizioni sperimentali. In particolare la densificazione permanente, dove possibile, appare un mezzo molto promettente per cambiare le caratteristiche di un sistema senza cambiare la composizione chimica ed effettuando una serie di esperimenti in condizioni analoghe. Nel presente progetto i principali risultati attesi riguardano prima di tutto la possibilità di produrre in modo controllato e con le caratterizzazioni più appropriate una serie di campioni relativamente nuovi aventi caratteristiche differenti dai prototipi di partenza. I protocolli >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I sistemi disordinati presentano un gran numero di fenomeni che coprono regioni molto ampie di temperature e tempi caratteristici. La dinamica e la termodinamica di questa vasta ed eterogenea classe di sistemi hanno comportamenti che, in un certo senso, sono sorprendentemente simili e indipendenti dai dettagli della struttura e del legame chimico. Questo suggerisce che ad essi sottostia una origine comune e universale. Benché esistano differenti possibili approcci a questo problema, un concetto che è di grande utilità e di sufficiente generalità, è il concetto di "energy landscape", ovvero la ipersuperficie dell'energia potenziale (SEP) di un sistema di atomi interagenti, nello spazio delle configurazioni a molte dimensioni [1]. Questa superficie possiede un numero molto grande di minimi locali, tipicamente proporzionale a exp(N) dove N è il numero di atomi che compongono il sistema. Esiste tutta una distribuzione di energie dei minimi, e si passa da un minimo a un altro superando, attraverso punti sella, barriere energetiche di varie altezze. Ognuno di questi minimi costituisce una possibile configurazione (meta)stabile per il sistema di N atomi. Nello stato liquido, l'energia termica è sufficientemente alta da permettere al sistema di superare buona parte delle barriere che separano minimi differenti. Se il liquido viene raffreddato abbastanza velocemente il sistema può venire intrappolato in uno dei minimi locali, dando luogo a una configurazione >>>