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I cristalli soffici fluenti

Verso una nuova frontiera della scienza dei materiali soffici

La materia fluida è una presenza pervasiva nel nostro mondo, dai meccanismi vitali del nostro corpo, come la circolazione dell’aria nei polmoni e del sangue nel sistema cardiovascolare, fino ai vortici d’aria nella scia delle automobili e degli aerei, per proseguire coi fenomeni ambientali, come le correnti atmosferiche e i flussi d’acqua nei mari, nei fiumi e nel sottosuolo.  La materia fluida la troviamo anche nei processi fisici fondamentali, inclusi quelli che non possiamo percepire direttamente, come i flussi di materia cosmologica all’ estremo superiore dell’Universo, ma anche nei costituenti più fini della materia, come i plasmi subnucleari di quark e gluoni che si presume popolassero quel baby-Universo nato pochi microsecondi dopo il Big-Bang.Comprendere il comportamento della materia fluida rappresenta dunque una delle sfide più importanti ed interdisciplinari della scienza moderna, con ricadute importanti in tutti i campi dello scibile, dalla fisica alla chimica, alla scienza dei materiali, biologia e medicina. Un compito, però, affatto semplice, principalmente perché la materia fluida interagisce su più scale dimensionali, sia nello spazio che nel tempo, e tipicamente in maniera fortemente non lineare (come diciamo noi teorici), tale cioè che piccole perturbazioni possono indurre grossi effetti e viceversa. Lo sviluppo di modelli matematici e computazionali ci ha reso possibile catturare parte di questa complessità.Grazie a questi metodi, abbiamo identificato uno stato della materia particolarmente interessante emerso negli ultimi anni sono i cosiddetti Soft Flowing Crystals (SFC), Cristalli Soffici Fluenti, ovvero configurazioni di gocce, come l’olio in acqua, disposte in maniera regolare ed uniforme. Questo stato viene detto “Soft” perché’ le gocce sono leggermente deformabili, “Flowing” perche’ scorrono, “Crystals”, perché’ lo fanno in configurazione spazialmente ordinata a regolare. In pratica possiamo pensare ai SFC come a un nuovo stato della materia, i cui costituenti fondamentali, anziché’ atomi o molecole, sono gocce immiscibili. Ma qual è l’interesse scientifico per questi soft flowing crystals?Sul piano teorico, ci chiediamo quali sono le loro proprietà lontano da uno stato di equilibrio: per esempio, quale velocità può raggiungere un SFC prima di perdere la sua struttura ordinata e rompersi in una mistura di gocce disordinate, dette emulsioni?  Su quello pratico, l’interesse nasce principalmente dalla prospettiva di costruire nuovi materiali integrando i Soft Flowing Crystals a larga scala, e considerando che, in quanto gocce, la loro dimensione è di circa un milione di volte più grandi degli atomi, diciamo un decimo di millimetro in diametro. Naturalmente non è pensabile che con le gocce si possano replicare tutti i materiali a noi noti sulla scala un milione di volte più grande: la stragrande maggioranza delle strutture che ci circondano, a partire dal nostro corpo, non sopravvivrebbe a una tale inflazione, perché non compatibile con leggi fondamentali della fisica.Grazie agli spettacolari progressi della microfluidica sperimentale, è però oggi possibile realizzare materiali “a gocce” con molte applicazioni potenzialmente importanti, ad esempio la fabbricazione di materiali porosi per applicazioni biomediche, tipo la coltura di cellule per medicina rigenerativa, che possono trarre grandi benefici da questa “amplificazione di scala”. Altre applicazioni si possono immaginare nel campo della catalisi, con dirette implicazioni in campo energetico. Per potere realizzare tutto ciò, dove insieme convivono interazioni su scala macromolecolare (intorno ai dieci miliardesimi di metro) con interazioni più grandi, legati alla taglia del dispositivo (dell’ordine dei centimetri), ovvero sei ordini di grandezza, è importante inserire una componente “artistica”. La componente della modellazione che noi scienziati possiamo inventare per approssimare queste interazioni molecolari con modelli più semplici, ma non semplicistici, e che ci permettano di usare al meglio i computer. Si tratta di gettare ponti matematico-computazionali tra il mondo tangibile del dispositivo ingegneristico e quello invisibile delle macromolecole. Questa è l’arte della fisica computazionale.Utilizzando una strategia computazionale nota come Lattice Boltzmann, nell’ambito del progetto ERC “Computational Design of Mesoscale Materials”, il nostro gruppo presso il Center for Life Nanosciences dell’Istituto Italiano di Tecnologia a Roma, in collaborazione col CNR e l’Università di Harvard, ha di recente messo a punto metodi efficaci per progettare la struttura di cristalli soffici su scala ingegneristica tenendo conto delle interazioni su scala macromolecolare. Questo metodo consente di trattare gli effetti di speciali molecole, note come surfattanti, che impediscono alle gocce di coalescere (cioè alle gocce piccole di olio a unirsi tra loro quando sono in acqua), condizione essenziale per preservare la struttura regolare, ancorché soffice, del cristallo fluente. Il surfattante, infatti, è composto da molecole “ambivalenti”, nel senso che la loro punta ama l’acqua mentre la coda ama l’olio. La sua presenza fa sì che il cristallo soffice non muti la sua struttura.Il nostro modello ci ha insegnato che la materia soffice è generosa: spesso non è necessario studiarla con accuratezza molecolare. Attraverso questi ed altri studi, potremo arrivare alla progettazione computazionale dei cristalli soffici fluenti, e dunque a tutta la serie di applicazioni già menzionate. Si sente spesso dire che c’è un intero Universo in una goccia d’acqua, e forse è proprio così…


*Sauro Succi è coordinatore del Mesoscale Simulations Lab al Center for Life Nanosciences dell’Istituto Italiano di Tecnologia a Roma

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