Fragilità dei liquidi

In fisica dei liquidi la fragilità caratterizza quantitativamente il rallentamento della dinamica di un materiale al diminuire della temperatura verso la temperatura di transizione vetrosa . Fisicamente, l'indice di fragilità può essere collegato alla presenza di eterogeneità dinamiche nei vetri, così come alla violazione della relazione di Stokes-Einstein tra la viscosità e l'indice di diffusione.

Grafico di Arrhenius della fragilità dei liquidi sottoraffreddati, sia forti che fragili. Questa rappresentazione della fragilità è nota come "Grafico di Angell".

DefinizioneModifica

La fragilità è un indice della deviazione della viscosità (o del tempo di rilassamento) da un andamento di tipo Arrhenius[1]. Questa classificazione è stata inizialmente proposta da Austen Angell[1][2]. La più comune definizione di fragilità caratterizza la pendenza della curva della viscosità di un marteriale in funzione della temperatura all'avvicinarsi (dall'alto) alla temperatura di transizione vetrosa  :

 

dove   è la viscosità,   è la temperatura di transizione vetrosa, m è la fragilità e T è la temperatura[3]. I liquidi sottoraffreddati con un'elevata fragilità sono chiamati "fragili", mentre gli altri vengono definiti "forti"[4]. Ad esempio, la Silice ( ) ha una fragilità piuttosto bassa, perciò rientra nella classe dei liquidi forti. Al contrario alcuni polimeri hanno una fragilità piuttosto grande e appartengono ai liquidi fragili.

Interpretazione fisicaModifica

L'origine fisica del comportamento non-Arrhenius dei liquidi fragili è tuttora in fase di studio. Negli ultimi decenni si è ipotizzato un collegamento tra questo fenomeno e la presenza di dinamiche localmente eterogenee nei liquidi fragili, ovvero la presenza di regioni veloci e regioni lente ben divise all'interno del materiale[1][5]. Questo effetto è stato inoltre connesso con la violazione della relazione di Stokes-Einstein tra la viscosità e l'indice di diffusione nei liquidi fragili.

Mentre per i liquidi forti l'energia di attivazione non dipende dalla temperatura, per quelli fragili essa cambia notevolmente, pertanto questi ultimi seguono un comportamento di tipo super-Arrhenius. Per quanto riguarda il profilo di energia libera, la principale differenza tra i due tipi di liquidi risiede nel fatto che nel caso dei liquidi fragili si vengono a creare molti più minimi degeneri separati da barriere molto più piccole rispetto al caso dei liquidi forti. I termini "fragile" e "forte", infatti, caratterizzano la facilità del sistema a passare da uno stato amorfo verso un altro ad esso energeticamente degenere.

NoteModifica

  1. ^ a b c P. G. Debenedetti, Stillinger, Supercooled liquids and the glass transition, in Nature, vol. 410, 2001, pp. 259–267.
  2. ^ C. A. Angell, Science 267, 1924 (1995).
  3. ^ V. N. Novikov, Ding, Sokolov, Correlation of fragility of supercooled liquids with elastic properties of glasses, in Physical Review E, vol. 71, 2005, p. 12.
  4. ^ M. D. Ediger, Angell, C. A.; Nagel, S. R., Supercooled liquids and glasses, in Journal of Physical Chemistry, vol. 100, n. 31, 1996, pp. 13200–13212.
  5. ^ C. A. Angell, Ngai, K. L.; McKenna, G. B.; McMillan, P. F.; Martin, S. W., App. Phys. Rev., vol. 88, n. 6, 2000, pp. 3113–3157.
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