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Esplorare i sistemi di materia attiva densa e le loro forze

Alcuni ricercatori finanziati dall’UE hanno usato la simulazione al computer per studiare le proprietà dei sistemi vetrosi attivi e il loro comportamento sotto sforzo.

Ricerca di base

Ovunque intorno a noi, ci sono gruppi densi di particelle semoventi che possono formare stati simili ai solidi chiamati vetri attivi. Questi sistemi di materia attiva densa vanno dal citoplasma ai tessuti cellulari e dalle biopellicole batteriche agli ingorghi. Ultimamente gli scienziati stanno studiando le proprietà dinamiche e meccaniche di questi vetri attivi, ma tali sistemi sono così strutturalmente disordinati e fuori equilibrio che la loro comprensione si è dimostrata difficile. Un modo per studiare le proprietà è quello di trattarli come forme insolite e attive di materia fisica. I ricercatori sostenuti dal progetto RMAG, finanziato dall’UE, hanno cercato di ottenere informazioni su questi sistemi e in particolare su come si comportano sotto un’azione di taglio, lo stress prodotto dalla pressione nella struttura di una sostanza quando i suoi strati vengono spostati lateralmente in direzioni opposte. I risultati sono stati pubblicati nella rivista «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America». Il team di ricerca ha simulato un modello di sistema vetroso attivo sotto taglio costante. In questo sistema, ogni particella semovente era guidata da una forza di propulsione la cui direzione subisce cambiamenti lenti e casuali. «Stavamo esplorando la risposta di un modello di materiale attivo sotto guida costante, dove il sistema è inserito tra due pareti, una stazionaria e l’altra in movimento, per generare la deformazione di taglio», afferma l’autore principale dello studio, il dottor Rituparno Mandal dell’Università di Gottinga, che ha coordinato il progetto RMAG, in un articolo pubblicato su «EurekAlert!».

La simulazione svela l’ordine nascosto della direzione della forza

Il team ha scoperto che, anche se il flusso delle particelle assomiglia a quello dei liquidi ordinari, le direzioni delle forze rivelano un ordine nascosto: esse tendono infatti a puntare verso la piastra superiore o inferiore (a seconda di quale sia la più vicina), mentre le particelle sottoposte a forze laterali si raggruppano al centro del sistema vetroso. «Ciò che abbiamo osservato è che, ad una forza motrice sufficientemente forte, emerge un interessante effetto di ordinamento», spiega ancora il dottor Mandal. «Ora comprendiamo anche l’effetto di ordinamento usando una semplice teoria analitica, le cui previsioni corrispondono sorprendentemente bene alla simulazione.» L’autore senior dello studio, il professor Peter Sollich, anche lui dell’Università di Gottinga, spiega: «Spesso una forza esterna o una forza motrice distrugge l’ordinamento. Ma qui la guida del flusso di taglio è la chiave per fornire mobilità alle particelle che compongono il materiale attivo, e hanno effettivamente bisogno di questa mobilità per ottenere l’ordine osservato.» Secondo Sollich, i risultati di questo studio dovrebbero «aprire possibilità entusiasmanti per i ricercatori che studiano le risposte meccaniche della materia vivente». Il progetto RMAG (Rheology and Mechanics of Active Glasses) si propone di offrire agli scienziati una nuova visione della biologia cellulare e della scienza dei materiali, nonché di aprire la strada alla progettazione di nuovi materiali attivi con capacità notevoli. Il progetto, della durata di 2 anni, si concluderà nel mese di ottobre 2022. Per maggiori informazioni, consultare: progetto RMAG

Parole chiave

RMAG, vetro attivo, sistema vetroso, forza, taglio, particella, materia

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