Il vetro è solido o liquido? La verità sulle vetrate medievali

È una delle "verità" più ripetute dalle guide turistiche: le antiche vetrate delle cattedrali gotiche sarebbero più spesse nella parte bassa perché il vetro, in fondo, è un liquido che scorre lentissimamente, e in sette o otto secoli sarebbe colato verso il basso per gravità. La storia è suggestiva, ma è falsa. Il vetro è un solido, sia pure di un tipo particolare, e capire perché ci permette di entrare in uno degli angoli più affascinanti della fisica dei materiali.

Né cristallo né liquido: il solido amorfo

Per la fisica, ciò che distingue un solido da un liquido non è la durezza ma la struttura e il modo in cui un materiale risponde nel tempo. In un cristallo — il sale, un diamante, un fiocco di neve — gli atomi sono disposti in un reticolo ordinato e ripetuto. In un liquido sono liberi di scorrere gli uni sugli altri. Il vetro sta in una posizione curiosa: ha la disposizione atomica disordinata di un liquido, ma è rigido come un solido. Per questo viene classificato come solido amorfo, secondo la definizione adottata dall'Enciclopedia Britannica.

Questa doppia natura nasce dal modo in cui il vetro si forma. Quando si raffredda la silice fusa, gli atomi non hanno il tempo di organizzarsi nel reticolo ordinato di un cristallo: restano "congelati" nella loro disposizione caotica. Il passaggio attraverso cui un liquido sottoraffreddato diventa rigido si chiama transizione vetrosa e avviene a una temperatura ben precisa per ogni composizione. Al di sotto di essa il materiale, dal punto di vista meccanico, è a tutti gli effetti solido.

Il mito delle vetrate che colano

Da dove nasce allora l'idea che le vetrate medievali "scorrano"? Dall'osservazione, vera, che molti pannelli antichi sono effettivamente più spessi in un lato. Ma la spiegazione è tecnica, non fisica. Fino all'epoca moderna le lastre venivano prodotte con il metodo del crown glass: si soffiava una bolla di vetro, la si apriva e la si faceva ruotare fino a ottenere un disco, che risultava inevitabilmente più spesso verso il bordo. Tagliando i pannelli, i maestri vetrai tendevano a montare il lato più pesante in basso, per stabilità. Come spiega il Corning Museum of Glass, una delle massime autorità mondiali sulla storia del vetro, esistono vetrate antiche più spesse in alto: se davvero il vetro fosse colato, sarebbero tutte più spesse in basso, e così non è.

Quanto è "lento" davvero il vetro?

Resta una domanda legittima: e se il vetro scorresse, ma in tempi enormemente più lunghi di quelli umani? Qui interviene la viscosità. La viscosità del vetro a temperatura ambiente è così smisurata che il tempo necessario perché una lastra si deformi in modo percettibile supererebbe di gran lunga l'età dell'universo. Lo ha calcolato in modo celebre il fisico dei materiali Edgar Dutra Zanotti in uno studio dal titolo eloquente, Do Cathedral Glasses Flow?, ripreso anche dalla rivista Scientific American nell'analisi sulla natura del vetro. La conclusione è netta: a temperatura ambiente nessuna vetrata gotica è colata di un solo micrometro misurabile.

La prova più convincente arriva dall'archeologia. Esistono manufatti di vetro romano sepolti da circa duemila anni, lenti, fiale e tessere di mosaico che conservano forme e bordi netti, senza alcun segno di scorrimento. Se il vetro fosse un liquido lento, oggetti così antichi mostrerebbero deformazioni evidenti. Non ne hanno.

Perché continuiamo a chiamarlo "liquido"

La confusione ha radici anche linguistiche e didattiche. Per decenni alcuni manuali hanno descritto il vetro come un "liquido sottoraffreddato", un'espressione che coglie l'origine fisica del materiale ma che, presa alla lettera, ha alimentato il malinteso. Il fisico John Baez, in una nota divulgativa molto citata sul tema, ha contribuito a smontare l'idea spiegando che il vetro, sotto la sua temperatura di transizione, non possiede la mobilità molecolare di un liquido.

La verità è che il vetro è una delle sostanze più affascinanti proprio perché sfugge alle nostre categorie intuitive. Non è un cristallo ordinato, non è un liquido che scorre: è la testimonianza congelata di un istante, il momento in cui un fuso si è irrigidito senza trovare il tempo di mettere ordine. La prossima volta che una guida vi indicherà una vetrata "colata nei secoli", potrete sorridere: quel vetro è fermo esattamente dove lo hanno messo i maestri medievali, e lo sarà ancora quando il Sole sarà ormai vecchio.

Uno stato della materia ancora misterioso

Vale la pena aggiungere che il vetro, nonostante lo usiamo da millenni, resta per i fisici un oggetto di studio tutt'altro che chiuso. La cosiddetta transizione vetrosa — il passaggio da liquido a solido amorfo — è uno dei problemi aperti più dibattuti della fisica della materia condensata: non è chiaro se si tratti di una vera transizione di fase come quella tra acqua e ghiaccio, oppure di un semplice "congelamento" dinamico del disordine. Capirlo a fondo aiuterebbe a progettare nuovi materiali, dalle fibre ottiche ai vetri metallici ultraresistenti. Insomma, dietro un materiale che ci sembra banale e quotidiano si nasconde una delle domande più profonde e ancora irrisolte della scienza dei materiali.