UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

Hi ha molts exemples de sistemes vitris amb un notable interès tecnològic, tant provinents de la natura com desenvolupats per l’home. Entre ells, podem citar els vidres inorgànics de borosilicats que es fan servir per fabricar ampolles o finestres, els vidres de calcogenurs que es fan servir per guies d’ones o per memòries d’ordinador, els vidres metàl·lics amb excel·lents propietats mecàniques o els polímers tan habituals en el nostre entorn.

Tots aquests materials es caracteritzen per l’absència d’ordre cristal·lí (els seus àtoms no estan col·locats segons la xarxa ordenada que caracteritza els cristalls) i per tenir una temperatura de transició, anomenada transició vítria (Tg), que separa el líquid sotarefredat (a temperatures per sobre de Tg) i el material rígid (a temperatures per sota de Tg). La comprensió d’aquest procés de vitrificació és un dels problemes encara pendents en la físico-química de la matèria condensada i per això és objecte d’una recerca intensa en la comunitat científica.

Aquests materials, quan es mantenen a temperatures per sota, però no massa llunyanes, de la seva temperatura de transició vítria, pateixen un procés anomenat ‘envelliment’ que pot modificar fortament les seves característiques i dificultar-ne la utilització durant períodes llargs de temps. És un procés de relaxació en què els materials evolucionen de forma contínua cap a estats de més baixa energia. La relaxació és generalment bastant lenta ja que requereix de moviments atòmics en un sistema de viscositat molt elevada.

En un article publicat a Physical Review Letters, investigadors del Grup de Nano-materials i Microsistemes de la UAB liderats pel professor Javier Rodríguez-Viejo, han aconseguit mesurar per primera vegada la dinàmica de la relaxació en capes ultraprimes de molts pocs nanòmetres.  Fent servir una tècnica anomenada nanocalorimetria han pogut determinar la capacitat calorífica d’aquests materials de dimensions reduïdes i s’ha observat  que les capes ultraprimes de vidres orgànics relaxen cap a estats d’energia més baixa a un ritme molt superior a com ho fan els vidres  convencionals massius.  

Aquest comportament està associat a l’augment de la mobilitat de les molècules superficials que provoca que aquestes molècules, situades a pocs nanòmetres de la superfície, puguin explorar estats energètics més favorables que altres molècules de l’interior de la capa prima que estan en un entorn molecular més rígid.  Aquesta recerca pot tenir implicacions futures pel desenvolupament de vidres superestables.

L'avenç en el coneixement dels vidres superestables té implicacions tant tèoriques com pràctiques. En la vessant teòrica ens poden ajudar a entendre millor la transició vítria, un dels temes de la físico-química de l'estat sòlid encara pendents d'explicació i, en un futur, a resoldre la paradoxa de Kauzamnn (els vidres molt estables es poden aproximar a la temperatura de Kauzmann, una regió de temperatura inexplorada fins ara perquè els moviments mol·leculars hi són massa lents).

En la vessant pràctica hi trobem les aplicacions. Els vidres molt estables també són mes densos que els fets a partir del líquid. Aquests dos factos que normalment van de la mà, major estabilitat i major densitat, són importants per diverses aplicacions tecnològiques com, per exemple, en l'elaboració de compostos farmacèutics més estables enfront de la cristal·lització. També s'ha demostrat que aquest tipus de vidres són més estables enfront de l'absorció de gasos com ara el vapor d'aigua i, per tant, podrien ser usats en dispositius orgànics luminescents que podrien treballar durant més temps sense patir els efectes de les pertorbacions ambientals.