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Sempre più prossimi alla sintesi di un cristallo quasi-vivente in movimento

Un gruppo di ricerca dell’UE ha creato cristalli artificiali drogati con particelle attive. Questo progetto spiana la via a una nuova generazione di materiali «dinamici» che attraggono energia dal loro ambiente a supporto del proprio movimento.

Ricerca di base

I sistemi biologici mostrano comportamenti collettivi che sono responsabili di imprese sorprendenti e modelli sbalorditivi in natura. Banchi di pesci, colonie di batteri o stormi di uccelli mostrano un comportamento adattivo istantaneo – un «consenso» – tra individui singoli e si auto-organizzano in modelli collettivi nonostante la loro apparente casualità individuale. Esempi di auto-organizzazioni sono ovunque in natura e il modo migliore per comprendere qualcosa, come la vita, è quella di costruirla da sé. Il comportamento collettivo degli sciami è più facile da studiare in particelle «attive» rispetto alla materia vivente. Un recente lavoro sperimentale ha dimostrato come la luce sollecita micro-macchine nuotanti che simulano la vita, dette particelle sintetiche, per muoversi e raccogliersi in gruppi simili a stormi di uccelli e spostarsi insieme in volo. Nonostante i progressi nel campo, fino ad oggi gli studi si sono concentrati sui colloidi, sospensioni di particelle all’interno di un mezzo fluido. «Poco si sa del modo in cui le particelle attive si comportano in fasi colloidali più dense, come nelle strutture cristalline e vetrose. Le particelle attive incorporate nelle strutture simil-solide potrebbero servire come elementi costitutivi promettenti per la progettazione di nuovi materiali dinamici e mobili», spiega Ivo Buttinoni, coordinatore del progetto MicACol finanziato dall’UE.

Osservazione delle particelle Janus che nuotano nei cristalli

Il progetto ha dimostrato esempi di reticoli attivi 2D, esplorando le forze critiche che le particelle attive devono superare per rendere mobile la struttura cristallina. Convertire l’energia in auto-propulsione è un compito particolarmente impegnativo su microscala e nano scala. «Mentre gli oggetti macroscopici utilizzano l’inerzia per nuotare in un fluido, le microparticelle e le nanoparticelle si comportano in acqua come se fossero immerse in un liquido estremamente viscoso come il miele o la maizena, dove l’inerzia non svolge alcun ruolo. Per nuotare, le particelle colloidali devono rompere la cosiddetta simmetria a inversione temporale, ovvero devono possedere proprietà di simmetria», sottolinea Buttinoni. Le particelle sferiche la cui superficie possiede due proprietà fisiche distinte, come le sfere semi-rivestite, offrono un banco di prova ideale per studiare questa violazione della simmetria. I due emisferi di queste particelle Janus interagiscono in modo diverso con il mezzo circostante e stabiliscono gradienti termici o chimici locali. I ricercatori di MicACol hanno utilizzato un comune schema di auto-propulsione che coinvolge le particelle parzialmente rivestite di platino e le hanno immerse in una soluzione di acqua e acqua ossigenata. I colloidi sono stati forzati ad auto-spingersi in ragione del fatto che l’acqua ossigenata è composta (catalizzata) dall’emisfero rivestito di platino. In una prima fase, il progetto ha dimostrato che le particelle sferiche mostrano forze repulsive ad ampio raggio nell’interfaccia tra i due liquidi. «Le particelle auto-propulse agiscono come se fossero guidate da una forza effettiva proporzionale alla loro velocità di nuotare liberamente. Prevediamo che lo stesso principio possa essere applicato in strutture più complesse come i vetri colloidali», aggiunge Buttinoni.

Allontanarsi dall’equilibrio

Ad oggi, la maggior parte degli esperimenti aggiunge particelle attive come intrusi nel reticolo, occupando posizioni casuali lontano dai punti del reticolo. L’esperimento di MicACol ha seguito un approccio diverso per studiare la meccanica delle particelle nel regime squilibrato. «Il nostro obiettivo era quello di individuare le forze critiche necessarie per spostare le particelle attive fuori dalle loro posizioni di equilibrio del reticolo», spiega Buttinoni. «Misurare le forze locali (repulsive) offre una “manopola” aggiuntiva per comandare il movimento di micronuoto nel cristallo. Di conseguenza, sappiamo quale tipo di particelle attive dobbiamo aggiungere per rendere la struttura del cristallo attuante [attiva]». I ricercatori potrebbero essere ancora lontani dalla sintetizzazione della materia attiva artificiale solida, ad esempio materiali dinamici/mobili 3D. Tuttavia gli scienziati di MicACol hanno battuto sentieri inesplorati, superando i confini della conoscenza nel settore.

Parole chiave

MicACol, particelle attive, colloidi, cristalli quasi-viventi, auto-organizzazione, particelle Janus, auto-propulsione

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