L'uomo ossessionato dal vetro

Poco dopo averlo incontrato, Tarun Chitra ha mandato in frantumi tutto ciò che sapevo sul vetro. Era un venerdì pomeriggio di inizio settembre, l'aria era ancora estiva ed eravamo a casa di un amico prima di uscire per andare a ballare.

Chitra lavora con uno dei miei coinquilini in un centro di ricerca biochimico chiamato ​D.E. Shaw Research, a New York. Sta cercando di capire come si comportino le molecole del vetro, ma sta cercando di farlo ad un livello che va oltre i modelli e le simulazioni usate normalmente dai fisici.

Invece che utilizzare modelli semplificati che trattano le molecole come palline in una vasca di palline, Chitra usa un supercomputer su misura per effettuare complicate simulazioni di molecule di vetro rappresentate da veri e propri atomi legati da un filo.

Inoltre, per approfondire le conoscenze del comportamento del vetro da parte dei fisici, la ricerca di Chitra potrebbe rendere più efficiente lo sviluppo di nuovo tecnologie riguardanti il vetro, dal gorilla glass fino a ottime, robuste e sottili lenti che possono essere usate nelle fibre ottiche e nelle nanotecnologie.

Data la mia esperienza, chiedere a qualcuno di parlare della loro ricerca può essere estremamente appagante o immensamente noioso, ma ero dell'umore giusto per farmi raccontare una bella storia di scienza. In più, mi piaceva lo stile di Chitra: un po' disordinato e dai capelli spettinati, e avevo deciso che ciò significasse che preferiva pensare piuttosto che rassettarsi e la sua voce sottilmente nasale ben si confaceva alle spiegazioni di fisica.

Sin dall'inizio, Chitra mi ha stupito con una manciata di considerazioni. In primis, il vetro non è un solido (e questo lo sapevo)—ma non è nemmeno un liquido (e questo non lo sapevo).

Inoltre, la parola 'vetro' non si riferisce solamente al materiale a base di silicio che utilizziamo per fare bottiglie e finestre. Infatti, praticamente ogni liquido, inclusa l'acqua, può essere reso vetro se raffreddato oltre il suo livello di fusione abbastanza in fretta.

Poi Chitra ha cominciato a parlarmi di film e di contro-danze. Ed è allora che ho capito di essere pronto per una bella lezione. Alla fine mi sono reso conto che il vetro è incredibilmente strano, e che gli scienziati ne sanno davvero poco a riguardo.

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Potremmo considerare erroneamente il vetro come solido perché è duro e mantiene la sua forma quando lo prendiamo in mano, dice Chitra. Ma se zoommassimo sul vetro, fino a un livello microscopico, potremmo notare qualcos'altro. "Il vetro è un materiale sorprendente perché è rigido, ma quando vai ad analizzare le sue proprietà molecolari assomiglia esattamente a un liquido," mi ha detto. Le molecole del vetro sono sparse per tutta l'estensione della superficie invece che essere raccolte in compatte strutture di lattice che danno ai solidi la loro durezza.

Pensiamo solidi e liquidi come spezzoni della pellicola un film, suggerisce. "Un solido è un singolo fotogramma che non cambia mai. Un liquido è un film che viene riprodotto a velocità normale. E il vetro è un film che viene riprodotto così lentamente che hai bisogno di una vita intera per vedere la scena successiva."

Quindi anche se un singolo fotogramma di una molecola di vetro è uguale a quello di una molecola di un liquido, la velocità di scorrimento dei due fotogrammi è molto diversa. Il frame rate del vetro è così lento che sembra che si comporti come un solido. "È come se io ti dessi una foto e ti dicessi, 'Dimmi se questa è stata scattata da una fotocamera o estrapolata da un video.' La struttura del vetro è come guardare un video così lentamente che sembra quasi che i fotogrammi non cambino."

Ma non si può dire che il vetro sia solo un liquido molto lento a mutare. Infatti il vetro differisce dai liquidi in alcuni sensi chiave.

Temprare del basalto fuso nell'acqua produce il vetro.

Per comprendere ciò potrebbe aiutare capire come si forma il vetro. Creare del vetro significa abbassare la temperatura di un liquido molto velocemente, è un processo chiamato tempra. Raffreddare un liquido oltre un punto determinato sperimentalmente chiamato temperatura di transizione del vetro (questa temperatura è diversa per ogni materiale, e dipende anche dalla velocità di raffreddamento) produce del vetro. Una tempra insufficiente produce un liquido superfreddo, un materiale viscoso che sembra miele ma che si comporta come il vetro a livello molecolare.

"Un liquido superfreddo è da immaginarsi come un qualcosa che stava diventando vetro ma non ci è riuscito," ha detto Chitra.

I liquidi superfreddi sono molto viscosi, come il miele.

Succedono cose strane quando tempri un liquido. Una volta che il liquido arriva sotto il suo punto di fusione, vuole fortemente diventare un solido. Ma visto che stai raffreddando il liquido così velocemente, le sue molecole non hanno il tempo di raggrupparsi in strati solidi. Ciò significa che il prodotto finale non è esattamente un solido.

Quando la materia cambia stato di aggregazione rilascia dell'energia chiamata calore latente. L'acqua la rilascia quando si raffredda fino a diventare ghiaccio. Ma quando i liquidi passano allo stato di vetro, non rilasciano alcun tipo di calore.

Quindi al vetro succede qualcosa che non succede ai solidi e ai liquidi. Ma come si comporti il vetro a livello molecolare è un gran mistero, ed è ciò che Chitra sta cercando di scoprire. Sembra che il vetro sia governato da un insieme completamente diverso di regole. Per spiegare ciò, mi ha raccontato tre diverse analogie.

"Le molecole dei solidi sono come un gruppo di sessantenni in una casa di riposo, che ballano lentamente in una balera," mi ha detto. Ogni persona trova un partner con cui fare due passi in giro. Non percorrono grandi distanze, e i loro vicini fanno lo stesso. Se li guardi da lontano non sembra nemmeno che si muovano.

"I liquidi sono come dei single in un pub," continua Chitra. "Si stanno tutti divertendo, dimenticandosi di chi siano i loro partner, i nomi delle persone. Si muovono a caso, e molto velocemente."

Infine c'è il vetro. "Il vetro invece è più simile ad un ballo popolare est-europeo," ha detto Chitra. "Sembra molto ordinato, per un momento, nulla cambia; poi d'improvviso tutto diventa casuale."

Nei balli popolari ungheresi o rumeni, per esempio, ci potrebbero essere 100 persone divise in dieci gruppi da dieci persone, e ognuno di questi dieci ballerini si tiene per manio in un cerchio. All'interno dei loro gruppi, i ballerini folk si comportano come quelli del pub pieno di single. Continuano a scambiare partner fino a quando non hanno ballato con tutti. Ma a differenza del pub coi single, i ballerini folk rimangono nel loro circolo. Per il vetro, spiega Chitra, i ballerini folk rimangono nello stesso cerchio per sempre. Per un liquido superfreddo rimangono nel loro cerchio per un periodo di tempo e poi improvvisamente cambiano.

All'interno del ballo folk sembra anche che i gruppi si comportino diversamente. Quando gli scienziati studiano i materiali, spesso misurano un parametro chiamato tempo di rilassamento. In generale, le molecole vogliono esistere al più basso livello di energia possibile. Il tempo di rilassamento si riferisce alla quantità di tempo necessaria alle molecole per trovare una configurazione compatibile con quella dei loro vicini per minimizzare la loro energia.

Nel contesto dato dall'analogia danzante di Chitra, possiamo pensare al tempo di rilassamento come al tempo che i ballerini spendono con un partner prima di passare al successivo. Sia che si tratti di solidi che di liquidi, i tempi di rilassamento delle molecole son più o meno gli stessi a prescindere da quali o quante molecole analizzi.

"Quindi, se sono nel pub coi single e prendo dieci persone a caso e chiedo a loro quanto tempo spendono a ballare con ogni partner, la risposta sarà simile a quella che riceverei se facessi la stessa domanda a 100 persone," ha detto Chitra.

Ma quando si tratta di vetro o di un liquido super-raffreddato, la risposta varia molto di più, secondo Chitra. "Se prendo 10 persone e sono tutte vicine l'un l'altra, daranno la stessa risposta," ha detto. "Ma se prendo 10 persone da punti differenti della stanza, mi daranno risposte diverse. E se lo chiedo a 100 persone noterò diversi piccoli ecosistemi locali, come fossero sezioni diverse."

Il risultato è che i vetri risultano formato da patch molecolari con viscosità molto differenti tra loro, ha affermato Chitra. "Un pezzo può avere la viscosità dell'acqua, mentre un altro è praticamente solido e non cambia mai. O un pezzo è come il miele e un altro come l'olio lubrificante."

Il meccanismo dietro questo fenomeno, chiamato eterogeneità dinamica, è una delle tante domande che assillano chi fa ricerche sul vetro. È chiaro soltanto che nel vetro succede qualcosa di strano dal punto di vista termodinamico.

Alcuni scienziati pensano che il vetro sia una fase propria della natura che agisce secondo regole termodinamiche prevedibili, che cercano di minimizzare l'energia nel sistema. Altri invece pensano che il vetro eluda l'equilibrio termodinamico, il che vorrebbe dire che le molecole di vetro rimangono nelle loro posizioni iniziali anche se queste non sono le più convenienti dal punto di vista energetico. Uno stato di non-equilibrio potrebbe spiegare perché le molecole di vetro conservino un ricordo della loro posizione iniziale, cosa che le molecole liquide non fanno.

L'eterogeneità dinamica è anche una buona metafora della vita di Chitra. Oltre a fare ricerche sul vetro, arrampica, va a concerti di musica elettronica, fa in bici circa 40/80 km alla settimana e coltiva i suoi interessi nel campo del caffè, della scena delle startup, della scienza informatica e dell'apprendimento delle macchine.

Chitra fa risalire il suo interesse nella scienza al fatto che il padre fosse un chimico e la madre una matematica, assieme alla sua passione per gli episodi di Nova, in particolare uno dedicato ai treni a levitazione magnetica, che lo fece legare per sempre ai superconduttori. Frequentò una scuola con metodo Montessori e passò gran parte della sua infanzia dedicandosi a concorsi di matematica e scienze. Quando aveva 11 anni arrivò secondo al gioco televisivo Jeopardy! Kids (su tre partecipanti, ci tiene a sottolineare).

Quando aveva dieci anni Chitra si dedicò alla pirateria online, prima per guardare film vietati ai minori, poi semplicemente per orgoglio. Insieme a un amico delle medie lanciò una chat room Internet Relay Chat (IRC) dedicata alla pirateria online chiamata warezpunks.

"Volevo diventare il proprietario della più grande chat room IRC del mondo," ha detto Chitra. E il suo sogno si è avverato: nella settimana del suo dodicesimo compleanno warezpunks era il più grande canale di pirateria su IRC.

In quello stesso periodo, Chitra si appassionò alla figura di Alexander Shulgin, il biochimico che introdusse l'MDMA nella psicologia nel 1970, spesso soprannominato come "il padrino dell'ecstasy":

Gli ho detto che dai suoi racconti sembrava un bambino piuttosto ribelle. "A posteriori effettivamente sembra che fossi un duro, ma in realtà ero la persona più tranquilla e nerd del mondo," mi ha detto Chitra.

Alla Cornell, Chitra frequentò una media di 8 corsi al semestre e si laureò sia in arte che in ingegneria. Dopo aver tentato di fare progetti di ricerca nel campo di biologia, bioingegneria, economia teorica e informatica teorica, trovò la sua strada nello studio della teoria delle stringhe.

Per un po' Chitra pensò che avrebbe ottenuto un master, ma decise poi che la teoria delle stringhe non aveva futuro. Dopo la laurea iniziò a lavorare alla D.E. Shaw Research, e da allora concentra le sue ricerche sul vetro.

Le ricerche che Chitra conduce alla D.E. Shaw Research sono decisamente inusuali per una compagnia che è già in qualche modo inusuale di per sé. La compagnia è stata fondata da David Shaw, uno scienziato informatico che fece fortuna nel mercato finanziario con network computerizzati ad alta velocità e che possiede un hedge fund chiamato D.E. Shaw & Co, con base a New York. Con buone risorse dai finanziamenti privati, i ricercatori della compagnia hanno una grande libertà nel perseguire i propri interessi intellettuali. Le ricerche di Chitra, tuttavia, sono bizzarre anche per i suoi colleghi, che sono principalmente concentrati sulla scoperta di nuovi farmaci.

Secondo Chitra sono molti gli obiettivi della sua ricerca. Uno è quello di supportare la ricerca sperimentale sul vetro per scoprire cosa succede a livello molecolare. Un altro è quello di risolvere le dispute di lunga data sulla formazione del vetro in un campo di ricerca altamente controverso. Ha anche intenzione di esplorare l'eterogeneità dinamica con modelli basati su atomi veri e modellini artificiali.

Il suo lavoro, inoltre, potrebbe portare a miglioramenti nelle tecnologie legate all'uso del vetro, inclusa la creazione di vetri spessi pochi nanometri ma estremamente resistenti. Il materiale potrebbe essere utile per fibre ottiche più potenti e per varie applicazioni della nanotecnologia.

Ma forse la motivazione maggiore di Chitra deriva dalla possibilità di scoprire qualcosa di totalmente nuovo e inaspettato: mi ha detto di stare elaborando un bizzarro modello che non è in totale accordo con i parametri delle teorie attuali sul vetro, ma non ha voluto dirmi i dettagli. "È qualcosa che spiega a livello intuitivo come funziona il sistema" è stata l'unica spiegazione vaga che mi ha fornito.

Da adulto Chitra sembra aver conservato molte delle migliori qualità che aveva da bambino. Come faceva nella scuola Montessori, affronta ogni cosa come se fosse un puzzle, è in movimento costante, e le sfide che si prefigge cambiano continuamente.

È ancora il bambino di dieci anni che costruì un impero della pirateria online, e che deve sempre fare le cose a modo suo. Anche quando era a capo di un team di hacker da 30 elementi a 12 anni, voleva che la sua chat mantenesse un certo livello. Mentre tutti gli altri canali di pirateria erano seri, quello di Chitra aveva una chat riservata alle barzellette e alle meme ASCII. "Alla fine noi eravamo i warezpunk," mi ha detto.

Ora, a venticinque anni, sta dedicando le sue forze intellettuali alle ricerche sul vetro e sta imparando a programmare supercomputer, tra le altre cose. "Voglio ancora essere il re, in un modo molto infantile," ha affermato.

Lead p hoto: Marc Falardeau/Flickr

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