Un indizio arrivò nel 1948, quando un giovane chimico di nome Walter Kauzmann si accorse quella che divenne nota come crisi dell'entropia, un paradosso vetroso che in seguito i ricercatori hanno capito che il vetro ideale poteva risolvere.

Kauzmann sapeva che più lentamente si raffredda un liquido, più è possibile raffreddarlo prima che si trasformi in vetro. E il vetro di forma più lenta finisce per diventare più denso e più stabile, perché le sue molecole hanno avuto più tempo per mescolarsi (mentre il liquido era ancora viscoso) e trovare disposizioni più strette ea bassa energia. Le misurazioni indicavano una corrispondente riduzione dell'entropia, o disordine, del vetro di forma più lenta: meno modi in cui le sue molecole potevano essere disposte con la stessa bassa energia.

Estrapolando la tendenza, Kauzmann si rese conto che se potessi raffreddare un liquido abbastanza lentamente, potresti raffreddarlo fino a una temperatura ora nota come temperatura Kauzmann prima che si indurisse completamente. A quella temperatura, il vetro risultante avrebbe un'entropia bassa come quella di un cristallo. Ma i cristalli sono strutture ordinate e ordinate. In che modo il vetro, disordinato per definizione, può avere lo stesso ordine?

Nessun vetro normale poteva, il che implicava che qualcosa di speciale doveva accadere alla temperatura di Kauzmann. La crisi verrebbe evitata se un liquido, una volta raggiunta quella temperatura, raggiungesse lo stato di vetro ideale, il più denso impaccamento casuale di molecole possibile. Un tale stato esibirebbe un "ordine amorfo a lungo raggio", in cui ogni molecola sente e influenza la posizione di ogni altra, così che per muoversi, devono muoversi come una sola. L'ordine nascosto a lungo raggio di questo stato putativo potrebbe competere con l'ordine più ovvio di un cristallo. "Quell'osservazione proprio lì era al centro del motivo per cui la gente pensava che dovesse esserci un bicchiere ideale", ha detto Mark Ediger, un fisico chimico presso l'Università del Wisconsin, Madison.

Secondo questa teoria, avanzata per la prima volta da Julian Gibbs e Edmund DiMarzio nel 1958, il vetro ideale è una vera fase della materia, simile alle fasi liquida e cristallina. La transizione a questa fase richiede troppo tempo, richiedendo un processo di raffreddamento troppo lento, perché gli scienziati possano mai vederlo. La transizione vetrosa ideale è "mascherata", ha detto Daniel Stein, un fisico della materia condensata alla New York University, dal liquido che diventa "così viscoso che tutto viene arrestato".

"È un po 'come guardare oscuramente attraverso un vetro", ha detto Stein. “Non possiamo arrivare a [vetro ideale] o vederlo. Ma in teoria possiamo provare a creare modelli accurati di ciò che sta accadendo lì ".

Un aiuto inaspettato è arrivato dagli esperimenti. Non c'è mai stata alcuna speranza di formare un vetro ideale raffreddando un liquido, il metodo di fabbricazione del vetro che gli esseri umani hanno usato per millenni. Dovresti raffreddare un liquido incredibilmente lentamente, forse anche infinitamente lentamente, per evitare che si indurisca prima che raggiunga la temperatura di Kauzmann. Ma nel 2007, Ediger, il fisico del Wisconsin, sviluppato un nuovo metodo della lavorazione del vetro. "Abbiamo capito che c'era un altro modo per realizzare bicchieri ad alta densità e vicini allo stato ideale del vetro con un percorso completamente diverso", ha detto.

Ediger e il suo team hanno scoperto che potevano creare "occhiali ultra stabili" che esistono in uno stato a metà tra l'ordinario e l'ideale. Usando un metodo chiamato deposizione da vapore, hanno fatto cadere le molecole una per una su una superficie come se stessero giocando a Tetris, consentendo a ciascuna molecola di stabilirsi nella sua posizione più comoda nel vetro in formazione prima che la molecola successiva scendesse. Il vetro risultante era più denso, più stabile e con un'entropia inferiore rispetto a tutti gli occhiali nel corso della storia umana. "Questi materiali hanno le proprietà che ti aspetteresti se prendessi un liquido e lo raffreddassi nel corso di un milione di anni", ha detto Ediger.

Un'altra proprietà del vetro ultra-stabile alla fine rivelerebbe la road map più promettente per il vetro ideale.

Due gruppi, uno dei quali guidato da Miguel Ramos a Madrid, hanno identificato quella proprietà nel 2014, quando hanno scoperto che il vetro ultra stabile si discosta da una caratteristica universale di tutto il vetro ordinario.

I fisici sanno da decenni che il vetro ultra freddo ha un'elevata capacità termica, la quantità di calore necessaria per aumentare la sua temperatura. Il vetro può assorbire molto più calore di quanto un cristallo possa avvicinarsi allo zero assoluto, con una capacità termica direttamente proporzionale alla temperatura.

Teorici tra cui Phil Anderson, il riverito fisico prematuro vincitore del premio Nobel, suggerito una spiegazione all'inizio degli anni '1970. Hanno sostenuto che il vetro contiene molti "sistemi a due livelli", piccoli ammassi di atomi o molecole che possono scivolare avanti e indietro tra due configurazioni alternative e ugualmente stabili. "Puoi immaginare un intero gruppo di atomi che si spostano da una configurazione a una configurazione leggermente diversa", ha detto Frances Hellman dell'Università della California, Berkeley, "che semplicemente non esiste in un materiale cristallino".

Sebbene gli atomi o le molecole siano troppo inscatolati dai loro vicini per fare molte accensioni da soli, a temperatura ambiente, il calore attiva i sistemi a due livelli, fornendo agli atomi l'energia di cui hanno bisogno per mescolarsi. Questa attività diminuisce al diminuire della temperatura del vetro. Ma vicino allo zero assoluto, gli effetti quantistici diventano importanti: i gruppi di atomi nel vetro possono "tunnel" meccanicamente quantistico tra le configurazioni alternative, passando proprio attraverso qualsiasi ostacolo e persino occupare entrambi i livelli del sistema a due livelli contemporaneamente. Il tunneling assorbe molto calore, producendo la caratteristica elevata capacità termica del vetro.

Diversi anni dopo che Ediger aveva capito come produrre un vetro ultra stabile, il gruppo di Hellman a Berkeley e quello di Ramos a Madrid si sono messi a studiare indipendentemente se potesse discostarsi da quella capacità termica universale vicino allo zero assoluto. Nella loro quelli esperimenti, hanno esaminato le proprietà a bassa temperatura del silicio ultra stabile e dell'indometacina ultra stabile (una sostanza chimica usata anche come farmaco antinfiammatorio). Abbastanza sicuro, hanno scoperto che entrambi i bicchieri avevano una capacità termica molto più bassa del solito vicino allo zero assoluto, in linea con quella di un cristallo. Ciò ha suggerito che il vetro ultra stabile ha un minor numero di sistemi a due livelli tra cui tunnel. Le molecole sono in configurazioni particolarmente aderenti con pochi concorrenti.

Se la capacità termica eccezionalmente bassa del vetro ultra stabile deriva davvero dall'avere meno sistemi a due livelli, allora il vetro ideale corrisponde naturalmente allo stato senza sistemi a due livelli. "È semplicemente perfettamente, in qualche modo, posizionato dove tutti gli atomi sono disordinati - non ha una struttura cristallina - ma non c'è niente in movimento", ha detto David Reichman, un teorico della Columbia University.

Inoltre, la spinta verso questo stato di perfetto ordine amorfo a lungo raggio, in cui ogni molecola influenza le posizioni di tutti gli altri, potrebbe essere ciò che induce i liquidi a indurirsi nel vetro che vediamo (e vediamo attraverso) tutto intorno a noi.

In questo quadro emergente, quando un liquido diventa un bicchiere, sta effettivamente tentando di passare alla fase di vetro ideale, attratto da una spinta fondamentale verso un ordine a lungo raggio. Il vetro ideale è il punto finale, ha detto Royall, ma quando le molecole cercano di avvicinarsi l'una all'altra, si bloccano; la viscosità crescente impedisce al sistema di raggiungere lo stato desiderato.

Recentemente, per testare queste idee sono state utilizzate simulazioni al computer innovative. Simulare un vetro ultra stabile su un computer era irrealizzabile a causa dello straordinario tempo di calcolo richiesto per le molecole simulate per ammassarsi insieme. Due anni fa, però, Berthier ha trovato un trucco che gli ha permesso di accelerare il processo di un fattore di 1 trilione. Il suo algoritmo sceglie due particelle a caso e scambia le loro posizioni. Queste scosse aiutano il liquido simulato a rimanere scollato, consentendo alle molecole di stabilizzarsi in attacchi più aderenti, proprio come la capacità di scambiare due forme inadatte sarebbe d'aiuto in Tetris.

In un giornale in corso di revisione per la pubblicazione in Physical Review Letters, Berthier, Scalliet, Reichman e due coautori hanno riferito che più stabile è il vetro simulato, meno sistemi a due livelli ha. Come per le misurazioni della capacità termica di Hellman e Ramos, le simulazioni al computer suggeriscono che i sistemi a due livelli - configurazioni concorrenti di gruppi di molecole - sono la fonte dell'entropia del vetro. Minore è il numero di questi stati alternativi, maggiore è la stabilità e l'ordine a lungo raggio di un solido amorfo e più è vicino all'ideale.

I teorici Vassiliy Lubchenko dell'Università di Houston e Peter Wolynes della Rice University suggerimenti nel 2007 il vetro ideale non dovrebbe avere sistemi a due livelli. "Sono abbastanza soddisfatto del risultato di Berthier", ha detto Wolynes via e-mail.

Ma poi c'è quell'ambra.

Ramos ei suoi collaboratori hanno pubblicato i loro confronti di campioni vecchi e "ringiovaniti" del vetro giallo in Physical Review Letters nel 2014. Hanno scoperto che l'ambra di 110 milioni di anni era cresciuta di circa il 2% in più, in linea con il vetro ultra stabile. Ciò dovrebbe suggerire che l'ambra si era effettivamente stabilizzata nel tempo, mentre piccoli gruppi di molecole scivolavano, uno ad uno, in disposizioni a bassa energia.

Ma quando il team di Madrid ha raffreddato il vetro antico quasi fino allo zero assoluto e ne ha misurato la capacità termica, i risultati hanno raccontato una storia diversa. L'ambra invecchiata aveva la stessa elevata capacità termica dell'ambra nuova e di tutti gli altri comuni vetri. Le sue molecole sembravano fare tunnel tra tanti sistemi a due livelli come al solito.

Perché il numero di sistemi a due livelli non è diminuito nel tempo quando l'ambra si è stabilizzata e si è fatta più densa? I risultati non si adattano.

"Mi piacciono molto gli esperimenti sull'ambra, ma realizzare un bicchiere color ambra è una specie di processo complicato", ha detto Ediger, l'ideatore del metodo di deposizione in vapore. "È fondamentalmente la linfa degli alberi che nel tempo cambia chimicamente e si solidifica così come invecchia." Pensa che le impurità nell'ambra spagnola potrebbero aver macchiato le misurazioni della capacità termica.

I ricercatori hanno in programma di condurre ulteriori esperimenti sull'ambra, nonché sul vetro fabbricato in laboratorio e simulato, sperando di scoprire maggiori dettagli dei sistemi a due livelli e di avvicinarsi al presunto stato ideale. Reichman ha osservato che potrebbe non essere mai possibile provare la sua esistenza con assoluta certezza. "Forse un giorno sapremo, almeno al computer, come imballare con precisione le particelle in un modo che sarebbe il vetro ideale che stiamo cercando", ha detto. "Ma dovremmo aspettare molto a lungo, troppo a lungo, per vedere se rimane stabile."

Nota del redattore: Ludovic Berthier e David Reichman hanno ricevuto finanziamenti dal Fondazione Simons, che supporta anche Quanta, an pubblicazione editoriale indipendente. I finanziamenti della Simons Foundation non svolgono alcun ruolo nella loro copertura.

Storia originale ristampato con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editorialmente indipendente del Fondazione Simons la cui missione è quella di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi della ricerca e le tendenze in matematica e scienze fisiche e della vita.