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La magia della transizione vetrosa: sai qual è la temperatura di transizione vetrosa?
Nella nostra vita quotidiana entriamo in contatto con una varietà di materiali in vetro, ma poche persone pensano alla scienza dietro questi materiali. Il vetro è una sostanza distintiva con proprietà di trasformazione uniche, soprattutto quando cambia da uno stato all'altro. Questo fenomeno è chiamato trasferimento vetroso, o transizione vetrosa, ed è un processo graduale e reversibile che avviene nei materiali amorfi da uno stato "vetroso" duro e fragile ad uno stato viscoso all'aumentare della temperatura allo stato spesso o gommoso.
Il processo di trasformazione del vetro è un fenomeno misterioso perché anche nell'intervallo di temperature fino a 500 K, questa trasformazione non provoca cambiamenti significativi nella struttura del materiale.
La temperatura di transizione vetrosa Tg è un parametro importante che descrive l'intervallo di temperatura di questa transizione. Questa temperatura è sempre inferiore al punto di fusione Tm dello stato cristallino perché il vetro è essenzialmente uno stato energetico più elevato. Molte plastiche rigide, come il polistirene e il polimetilmetacrilato, hanno tipicamente una Tg di circa 100 °C. Ciò significa che rimangono solidi al di sotto di questa temperatura e diventano più morbidi e flessibili al di sopra di questa temperatura.
L'applicazione di elastomeri di gomma come poliisoprene e poliisobutilene è esattamente l'opposto. Questi materiali vengono utilizzati in uno stato superiore alla loro Tg, in cui appaiono morbidi e flessibili. Una tale struttura reticolata impedisce il libero flusso delle molecole, quindi la gomma può mantenere una forma fissa a temperatura ambiente.
Sebbene le proprietà fisiche del vetro cambino, la transizione vetrosa non è considerata un cambiamento di fase, ma piuttosto un fenomeno dinamico che si basa sulla storia termica.
In molti materiali, quando il processo di congelamento convenzionale viene sostituito da un raffreddamento rapido, la transizione di fase cristallina viene evitata e si forma direttamente lo stato vetroso. Tali materiali hanno capacità di formazione del vetro, ovvero la capacità di rimanere in uno stato amorfo se raffreddati rapidamente. Questa proprietà è correlata alla composizione del materiale e può essere prevista dalla teoria della rigidità. La domanda successiva è: la struttura di un materiale che rimane allo stato vetroso può rilassarsi ulteriormente nel tempo?
Il vetro cambia struttura lentamente all'interno del suo intervallo di trasformazione. Anche a temperature più basse, la configurazione del vetro sarà relativamente stabile, mentre la struttura di molti materiali tenderà ad uno stato di equilibrio termico dopo un certo periodo di riscaldamento o raffreddamento. Questo processo dimostra il principio base della minimizzazione dell'energia libera di Gibbs e fornisce una forza motrice dinamica che consente alla struttura del vetro di cambiare nel tempo.
Molti ricercatori ritengono che il vetro abbia uno stato dinamicamente bloccato in cui la sua entropia e densità dipendono dalla sua storia termica e che questo stato non raggiungerà l'equilibrio termico.
Quando si parla di transizione vetrosa, esiste anche il paradosso di Schrödinger, ovvero, poiché il liquido è superraffreddato, la differenza di entropia tra la fase liquida e la fase solida diminuisce e si può dedurre la temperatura quando la differenza di entropia è zero Questa temperatura è chiamata temperatura di Kauzmann. Ciò ha portato all'idea che il liquido potesse autocristallizzarsi prima di raggiungere questa temperatura. Le numerose ipotesi che cercano di spiegare il paradosso di Kauzmann offrono diverse prospettive sulla natura della transizione vetrosa.
Da ricerche più recenti, la definizione di temperatura di transizione vetrosa non è uniforme ed è influenzata da standard diversi. I risultati possono produrre valori diversi in circostanze diverse. Tuttavia, quando si effettuano queste misurazioni, la velocità di raffreddamento o riscaldamento può influenzare in modo significativo il valore Tg misurato. Esplorare il fenomeno della transizione vetrosa negli interni ci porta a chiederci: esiste un modo più ingegnoso per comprendere le ragioni alla base di questo fenomeno?
