Comprendere le relazioni tra composizione, struttura e proprietà nella formulazione di vetri alluminosilicatici ultra-resistenti.

Nowadays the development of ultrastrong glasses is a matter of huge interest because of the increasing demand for lightweight, ultrathin and durable glasses for applications such as cover and protective transparent materials for personal electronics, solar panels, sealants of electrochemical devices, screens, and windows for automobiles and aerospace vehicles, buildings etc. Aluminosilicate glasses play a central role in all these applications since they possess high breakage resistance and chemical durability, high transparency, and low coefficient of thermal expansion. Up to now, because of the gap of knowledge on composition-structure-properties relationships most of the commercial glasses have been designed by a conventional ‘trial and error’ approach. However, with an everincreasing demand for new glasses with particular and tailored properties, it is becoming urgent to change the paradigm, from ‘trial and error’ to a more sustainable ‘material by design’ approach, whereby material functions and properties can be predicted from first principles. The project aims to develop a rigorous fundamental atomic level understanding of the relationships between composition structure and properties of these systems and to create some new very accurate, simple and efficient Force Fields. Molecular Dynamics Simulations will be surely used to investigate A2O–AEO–MxOy–Al2O3–SiO2 (A: Li, Na; AE: Mg, Ca; MxOy: B2O3, and P2O5) glasses to understand the impact of (a) mixed network former effect, and (b) non-framework cation mixing on the glass properties (mechanical and coefficient of thermal expansion). Particular attention will be given to the understanding of processing conditions, such as densification through the application of hydrostatic pressure during glass production, and to Mechanical and Elastic properties. The project will be carried out in tight collaboration with SCHOTT Glass; a leading international technology group in the areas of specialty glass, glass-ceramics and glass innovations which has manifested the interest in co-funding the scholarship and hosting the PhD student for a period abroad of 6 months and providing experimental data necessary to validate our simulations.

Negli ultimi decenni, lo sviluppo di vetri ultraresistenti ha assunto un’importanza via via crescente a causa delle richieste di mercato di reperire materiali leggeri, ultrasottili e altamente durevoli per una vasta gamma di applicazioni. Tra queste figurano i materiali trasparenti per la copertura e la protezione di dispositivi elettronici personali, pannelli solari, sigillanti per dispositivi elettrochimici, schermi e finestrature destinate ai settori automobilistico, aerospaziale e dell’edilizia. In questo contesto, i vetri alluminosilicati rivestono un ruolo centrale grazie alla loro elevata resistenza meccanica e chimica, all’ottima trasparenza ottica e al basso coefficiente di dilatazione termica. Sino ad oggi, la progettazione dei vetri commerciali è stata condotta prevalentemente secondo un approccio tradizionale basato sul metodo “trial-and-error”, a causa della conoscenza ancora limitata delle relazioni tra composizione, struttura e proprietà dei materiali vetrosi. Con la crescente necessità di sviluppare vetri innovativi, caratterizzati da proprietà mirate e personalizzate, diventa imprescindibile un cambio di paradigma: passare dal metodo empirico a un approccio più razionale e sostenibile, noto come “materials by design”, in cui le proprietà e le funzioni dei materiali vengono previste e ottimizzate a partire dai principi fondamentali della fisica e della chimica dei solidi. L’obiettivo del progetto è sviluppare una comprensione rigorosa, a livello atomico, dei rapporti tra composizione, struttura e proprietà meccaniche dei vetri alluminosilicati, e creare campi di forze (Force Fields) nuovi, accurati, semplici ed efficienti, utili per simulazioni di elevata precisione. A tal fine, verranno condotte simulazioni di dinamica molecolare su sistemi vetrosi appartenenti alla famiglia A₂O–AEO–MxOy–Al₂O₃–SiO₂ (dove A = Li, Na; AE = Mg, Ca; MxOy = B₂O₃, P₂O₅). Queste simulazioni permetteranno di approfondire l’effetto del “mixed network former” e della miscela di cationi non modificatori sulle proprietà del vetro, in particolare sulla resistenza meccanica e sul coefficiente di dilatazione termica. Un’attenzione particolare sarà inoltre rivolta allo studio delle condizioni di processo, come la densificazione ottenuta mediante applicazione di pressione idrostatica durante la produzione del vetro, e alla correlazione tra tali condizioni e le proprietà meccaniche ed elastiche finali del materiale. Il progetto sarà sviluppato in stretta collaborazione con SCHOTT Glass, gruppo tecnologico internazionale leader nel campo dei vetri speciali, vetroceramiche e innovazioni nel settore del vetro, garantendo così un forte legame tra ricerca fondamentale e applicazioni industriali.