Lo stato vetroso: le caratteristiche dello stato amorfo

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Trasparenza, leggerezza e resistenza hanno fatto del vetro dei materiali più utilizzati sin dall'antichità, sia nell'arte che nella realizzazione di utensili di impiego comune.

Generalmente, se un sistema allo stato liquido viene raffreddato al di sotto della temperatura di fusione Tm, esso tende a cristallizzare; in alcuni casi, in particolari condizioni di pressione e temperatura, il sistema invece non cristallizza, ma aumenta progressivamente la propria viscosità, pur non acquisendo quel caratteristico ordine strutturale a lungo raggio, tipico dei solidi cristallini, passando così ad uno stato, detto vetroso. Il vetro costituisce quindi uno stato di aggregazione della materia che presenta alcune caratteristiche dei solidi (la rigidità meccanica) e altre dei liquidi (il disordine strutturale). Secondo tale definizione, fanno parte della categoria dei vetri le ceramiche, le plastiche, le resine epossidiche e i materiali polimerici.

Vetrata nella cattedrale di York.

Sebbene testimonianze archeologiche della più antica lavorazione del vetro ci riportano in Mesopotamia, dove è stata ritrovata una barra di vetro blu risalente
al tardo periodo sargonide (XXIII sec. a.C.), è probabilmente nelle vetrate delle cattedrali gotiche che il vetro si manifesta in una delle sue massime espressioni. Le vetrate hanno infatti rappresentato una fondamentale svolta architettonica, preferendo alla luce riflessa (affreschi) o riflessa/rifratta (mosaici) proveniente dall'interno della chiesa, la luce trasmessa, interpretata come la luce di Dio. La maestosità di queste produzioni ha suscitato un forte interesse anche di carattere scientifico: basandosi sull'osservazione secondo cui le vetrate presentano uno spessore maggiore nella parte bassa, il Prof. Hoke della West Side High School in Newark, New Jersey, ha affermato che il vetro è in realtà un liquido, che fluisce lentamente verso il basso sotto l’azione della forza di gravità. In realtà studi successivi hanno mostrato come tali disomogeneità possono trovarsi in modo equiprobabile in alto, in basso oppure al lato. Ciò deriva dal fatto che prima del XIX secolo le lastre venivano realizzate a partire da una sfera assottigliata progressivamente in un disco mediante percussione, causando in modo inevitabile delle disomogeneità. Risulta poi plausibile che si prediligesse un montaggio in cui la parte più spessa fosse orientata verso il basso in modo da sopportare meglio il carico. 

Per comprendere meglio le differenze tra cristallo, vetro e liquido, si pensi al processo di raffreddamento e si monitori l’andamento del volume del sistema in funzione della temperatura. La cristallizzazione si manifesta in un salto brusco del volume alla temperatura di fusione Tm. In presenza di vetrificazione, invece, la mancata cristallizzazione è seguita, continuando a raffreddare il sistema, dal passaggio a liquido sottoraffreddato: la dinamica molecolare rallenta e, alla temperatura di transizione vetrosa Tg, non è più possibile raggiungere l’equilibrio termodinamico nei tempi sperimentali. A differenza di Tm, Tg dipende dalla velocità di raffreddamento e si verifica che più esso è rapido, minore è la regione per cui il liquido rimane nello stato sottoraffreddato e quindi più alta è Tg. In seguito alla transizione vetrosa, la capacità di fluire del liquido diminuisce e le scale temporali caratterizzanti il moto diffusivo aumentano notevolmente. Questo effetto può essere quantificato in termini di viscosità, misurata in unità chiamate poise. L’acqua possiede una viscosità di 0,01 poise, un vetro a temperatura ambiente invece ha una viscosità di 1020 poise, molti ordini di grandezza superiore a quella del piombo. 

Tornando quindi alla “leggenda delle vetrate gotiche”, il fatto che il piombo, utilizzato nell'intelaiatura delle vetrate, non abbia mostrato segni di cedimento in seguito alle sollecitazioni strutturali, conferma l’attribuzione delle disomogeneità di spessore, non tanto alla natura dello stato vetroso, quanto invece alle procedure di lavorazione.

Alessandra

- T. Scopigno, La transizione vetrosa, KOS - Periodico dell' Istituto Scientifico Universitario San Raffaele 232-233 (Gennaio-Febbraio 2005) 

- P. Mazzoldi, Dalla leggenda dei materiali alla magia del vetro, Il nuovo saggiatore, vol26, no5-6, (2010)