Disordine

In fisica, il d. di un sistema si riferisce, di volta in volta, alla violazione di una simmetria, alla distribuzione casuale di una variabile, alla localizzazione delle componenti microscopiche ecc. In meccanica statistica, si definisce una grandezza, l’entropia (➔), che misura il grado di d. di un sistema, ed è fondamentale, per es., nella teoria dell’informazione o per lo studio dei sistemi complessi.

Il concetto di d. è considerato uno dei più rilevanti della fisica della materia aggregata, assumendo rilevanza tanto maggiore a causa dello sviluppo senza precedenti della scienza dei nuovi materiali. Fra questi ultimi, i sistemi disordinati sono di gran lunga più abbondanti, e non meno importanti dal punto di vista tecnologico, di quelli cristallini, che hanno tradizionalmente costituito l’oggetto di studio della fisica dello stato solido. Il massimo grado di ordine spaziale in un sistema fisico si trova in un cristallo e il d. strutturale si può descrivere facendo riferimento alle possibili violazioni della simmetria nei cristalli. Il d. sostituzionale è il tipo di d. più debole che si conosca: esso si ha quando alcuni degli atomi del sistema vengono sostituiti da altri, posti nello stesso sito ma di natura fisica diversa; le simmetrie caratteristiche del cristallo sono violate non in senso geometrico ma fisico. Fanno parte di questa classe di sistemi disordinati le leghe di sostituzione, che si possono avere con molti elementi diversi sia fra i metalli (proprietà di grandissima rilevanza nella metallurgia), sia fra i semiconduttori (proprietà che è alla base dell’importante possibilità di drogare il solido). In un sistema disordinato, l’ordine molecolare perfetto tipico di un cristallo viene violato, ma anche il perfetto d. è difficile da ottenere: alcune correlazioni fra atomi, o spin, vicini (vale a dire interrelazioni che condizionano lo stato o la natura di uno, dipendenti dallo stato o dalla natura dell’altro) esistono sempre.

L’esempio tipico è quello delle leghe costituite da due specie atomiche soltanto, A e B (leghe binarie), in cui spesso risultano energeticamente favorevoli, per la diversa intensità dell’energia di legame interatomica delle coppie A-A, A-B e B-B, configurazioni in cui un atomo A è circondato, per es., in maggioranza da atomi B, piuttosto che da atomi della sua stessa specie. Quando questo accade si dice che il sistema presenta ordine ‘a corto raggio’. Si ha d. topologico quando gli atomi del sistema non sono disposti nei siti ideali caratteristici di un reticolo cristallino perfetto: la simmetria del cristallo è rotta anche dal punto di vista geometrico oltre che da quello fisico. La forma più semplice di d. topologico si ha nella dislocazione (➔). Una frazione notevole dei materiali naturali non presenta una visibile struttura cristallina, se non alle scale più piccole (e non sempre): essi vengono indicati, a seconda del caso, come solidi non cristallini, amorfi o vetrosi. In generale appaiono omogenei o isotropi, in quanto il d. topologico che è loro caratteristico si manifesta su scala atomica. Si indica con il nome di fase vetrosa la condizione nella quale tale d. è tecnicamente solo metastabile (vale a dire che non si tratta di una vera fase, nel senso termodinamico, ma di una configurazione che corrisponde a un minimo locale relativo e non assoluto dell’energia libera), ma la sostanza, a causa dell’ostruzione opposta dalle interazioni atomiche locali, ha tempi di rilassamento talmente lunghi che di fatto non riesce a ricristallizzarsi, cioè a ritornare nella fase ordinata in un tempo finito. Un esempio importante si ha con i vetri inorganici a base di silice, nei quali è possibile che gli atomi di silicio e ossigeno si dispongano in una struttura irregolare, ma con i legami covalenti completamente e globalmente saturati in modo da impedire il riordino della struttura.