Observen per primer cop a escala nanomètrica com els vidres es transformen en líquids en incrementar la temperatura
Investigadors de la UAB i de l’ICN2 han desenvolupat una metodologia que permet per primer cop observar al microscopi, en temps real, què succeeix quan els vidres s’escalfen i canvien a una fase líquida sotarefredada, l’anomenada transició vítria. La recerca, publicada a Nature Physics, és de gran importància per a la criopreservació de proteïnes, de cèl·lules i de teixits vius, per a la fabricació de fàrmacs i dispositius electrònics o per a l’enginyeria de teixits, on aquesta transició entre vidre i líquid té un paper clau.
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.
Un equip de recerca 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 de la UPC i l’IMB-CNM-CSIC, 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. “Anteriorment ja s’havia inferit d’aquests models que les zones en fase líquida que es van produint tenen una separació extraordinària entre elles quan es tracta de vidres ultraestables, però això no s’havia observat mai directament”, remarca Cristian Rodríguez Tinoco, investigador de la UAB i l’ICN2.
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. “Es tracta de moviments i compressions molt petits, de l’ordre d’uns pocs nanòmetres quan comença la transformació, però prou grans perquè puguin ser mesurats de manera precisa amb un microscopi d’aquest tipus, que monitoritza in situ les deformacions de la superfície que hi apareixen per sobre de la temperatura de transició”, explica la doctoranda Marta Ruiz Ruiz.
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 descripció mitjançant microscopi que hem aconseguit ha fet possible, per primer cop, una comparació directa entre els models computacionals i la realitat física. Pensem que aquesta tècnica també serà de gran utilitat per explorar la transició vítria a escales de temps i d’espai més petites, la qual cosa permetrà una millor comprensió de la transició en vidres menys estables produïts a partir de líquids refredats”, conclou Javier Rodríguez Viejo, investigador de la UAB i de l’ICN2.
La recerca, que publicada a Nature Physics, ha estat liderada pels professors Javier Rodríguez Viejo i Cristian Rodríguez Tinoco, investigadors del Grup de Propietats Tèrmiques de Materials en la Nanoescala (GTNaM) del Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), al campus de la UAB, i hi ha participat els investigadors Marta Ruiz Ruiz (primera signant de l’article), Ana Vila Costa i Marta González Silveira, també de la UAB i l’ICN2, així com els investigadors de l’ICN2 Tapas Bar i Jordi Fraxedas, Jose Antonio Plaza, investigador de l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC), al campus de la UAB, i Jorge Alcalá, de l’ETSEIB de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).
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