Dal caos alla materia soffice ‘intelligente’

Il disordine può avere un senso e capire la sua logica può essere davvero utile. Uno studio condotto da un gruppo di ricerca dell’Università di Trento dimostra come una minima differenza chimica possa trasformare un movimento caotico e disordinato in una struttura estremamente coordinata e riproducibile. I risultati aprono la strada alla progettazione di materiali intelligenti di nuova generazione, capaci di adattarsi all'ambiente, ripararsi, o assemblarsi in modo autonomo: dai tessuti che si rigenerano nelle protesi, alla robotica soft, fino a componenti meccanici e sensori capaci di riparare da soli eventuali micro-fratture.

I risultati dello studio condotto insieme ai ricercatori de La Sorbonne Université di Parigi e dell'Università di Copenaghen sono stati pubblicati oggi sulla prestigiosa rivista scientifica NPJ Soft Matter. I risultati dell’indagine dimostrano che minime variazioni microscopiche nella composizione chimica di agenti sintetici non causano alterazioni casuali, ma determinano l’evoluzione del sistema verso forme di auto-organizzazione e comportamenti collettivi ben definiti.

L'esperimento: gocce con un "motorino" chimico
Lo studio si concentra su quella classe di materiali deformabili o fluidi (come emulsioni, gel, sospensioni colloidali o tessuti biologici) che viene definita ‘materia soffice’. Il lavoro ha come obiettivo particolare la materia soffice “attiva”, composta da unità fuori dall'equilibrio termodinamico capaci di assorbire energia dall'ambiente o da una riserva chimica interna – un vero e proprio "motorino" – e di convertirla direttamente in movimento autonomo.

Il gruppo di ricerca ha analizzato il comportamento di 50 gocce d'olio depositate sull'acqua. Queste gocce sono attive poiché rilasciano una sostanza che le fa muovere autonomamente. A spiegare il funzionamento sono gli autori dello studio: Roberto Menichetti e Raffaello Potestio del Dipartimento di Fisica UniTrento e dell’Infn/Tifpa, Martin Hanczyc e Silvia Holler del Dipartimento di Biologia cellulare, computazionale e integrata dell’Università di Trento, insieme al primo autore Matteo Scandola (Sorbonne Université e già ricercatore nell’Ateneo trentino) e Richard Löffler dell’Università di Copenhagen. «All'inizio le gocce si muovono ad alta velocità come mosche impazzite che si scontrano e rimbalzano. Nel corso dell’esperimento però tendono ad aggregarsi in una struttura ordinata. Rispetto a studi simili svolti in passato, la vera svolta è stata inserire una piccola variante: abbiamo colorato 25 gocce di blu e 25 di rosso. Il colorante non è servito solo a marcarle e distinguerle: pur essendo una variazione chimica infinitesimale, ha alterato leggermente la superficie delle gocce, influenzando la velocità con cui consumavano il 'carburante' e, di conseguenza, la struttura che viene a formarsi».

I ricercatori spiegano poi le varie tappe del processo di auto-aggregazione: «È emerso che il sistema evolve attraverso cinque fasi riproducibili. Inizialmente le gocce si scontrano caoticamente. Man mano che consumano carburante, le gocce blu rallentano per prime e iniziano ad attaccarsi tra loro. Le gocce rosse, ancora veloci e attive, finiscono per intrappolare quelle blu, spingendole e confinandole al centro. Esaurito il carburante, l'attività cessa. Si ottiene così una "zattera" perfettamente ordinata e immobile, con un cuore di gocce blu racchiuso da una corona esterna di gocce rosse».

«È un perfetto esempio di ‘fenomeno emergente’, proprio come avviene in natura con gli stormi di uccelli: il singolo individuo non ha una visione d'insieme e segue regole locali, ma il gruppo si muove come un unico organismo coordinato», chiariscono. «In particolare, se le gocce fossero state attive allo stesso modo, si sarebbero mescolate alla rinfusa senza mai creare una struttura concentrica». Cambiando solo una sfumatura nell’attività, i ricercatori sono così riusciti a "programmare" l'organizzazione finale della materia. «La coesistenza di un’elevata sensibilità alle variazioni microscopiche e di una rigorosa riproducibilità a livello macroscopico è uno degli aspetti più straordinari di questo sistema».

Le possibili applicazioni
«L'obiettivo a lungo termine rientra nel campo di quelli che vengono definiti ‘sistemi bio-ispirati’, dove vogliamo capire come l'informazione contenuta nei singoli componenti possa controllare l'intero sistema, ponendo le basi per creare materiali del futuro: dinamici, responsivi e capaci di adattarsi all'ambiente», spiegano i ricercatori.

Più nello specifico, la ricerca fornisce nuovi strumenti per guidare l'assemblaggio autonomo della materia agendo semplicemente sulla velocità e sull'attività dei suoi elementi costituenti, senza bisogno di parti elettroniche o sensori fisici. Questa scoperta apre scenari potenzialmente rivoluzionari nel campo della materia soffice attiva: dalla creazione di materiali intelligenti capaci di adattarsi all'ambiente, auto-ripararsi o auto-costruirsi (come tessuti che si rigenerano in protesi biomediche), fino a dispositivi nel campo della robotica liquida.