Osservato un nuovo esempio di materia soffice composto da gocce di fluido in
miniatura incapsulate in una goccia più grande. Simulazioni al computer hanno
mostrato le gocce muoversi come in una sorta di balletto. Lo studio, coordinato
dall'Istituto italiano di tecnologia, svolto in collaborazione con l’Istituto
per le applicazioni del calcolo del Consiglio nazionale delle ricerche e
l'Università di Harvard, promette diverse ricadute, dalla scienza dei materiali
alla medicina e farmaceutica. I risultati sono pubblicati su Nature
Communications
Esempi di emulsioni multiple contenti tre (sinistra) e quattro (destra) gocce il
cui moto è guidato da vortici di fluido prodotti all’interno della goccia più
grande.
“Comprendere il comportamento della materia soffice rappresenta una delle sfide
più importanti ed interdisciplinari della scienza moderna che porterà
applicazioni tecnologiche innovative in diversi campi”. A parlare è Adriano
Tiribocchi, ricercatore dell’Istituto italiano di tecnologia (Iit) che sul tema,
insieme ai colleghi dell’Istituto di applicazione del calcolo 'Mauro Picone' del
Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iac), di cui è associato, e
dell’Università di Harvard, ha firmato un lavoro pubblicato rivista Nature
Communications. Il lavoro è stato supportato dall’European Research Council
attraverso l’Advanced Grant Copmat, di cui è titolare Sauro Succi, responsabile
del Mesoscale Simulations Lab dell’Iit, dove lavora anche Tiribocchi.
Il team di ricerca ha osservato un nuovo esempio di materia soffice, realizzando
così un avanzamento di conoscenza, con potenziali risvolti in particolare in
ambito biologico e in quello dei nuovi materiali. “In questo lavoro abbiamo
studiato mediante simulazioni al computer, basate sul metodo reticolare di
Boltzmann, il comportamento dinamico di una emulsione multipla composta da gocce
di fluido disperse in una goccia più grande e sottoposte ad un flusso esterno,
una situazione osservata in genere durante esperimenti in canali microfluidici”,
prosegue Tiribocchi. “Abbiamo rilevato che la dinamica delle gocce interne è
influenzata in modo cruciale dai vortici che si formano in risposta alla
sollecitazione imposta dalla differenza tra la pressione di ingresso e uscita
dal microcanale. Ne determinano le interazioni ed i moti, i quali possono essere
periodici, come in una affascinante danza in cui un partner insegue l’altro,
oppure più disordinati e caotici (vedi immagine). I risultati ottenuti sono
importanti non solo per ulteriori esperimenti in microfluidica, ma anche perché
potranno contribuire a chiarire, ad esempio, le interazioni osservate tra
cellule in condizioni fisiologiche, che è ragionevole pensare si comportino in
maniera simile alle gocce esaminate nel nostro studio. Un’analoga questione vale
per lo studio dell’interazione tra cellule e batteri, al fine di valutarne
l’eventuale patogenicità”.
Siamo soliti dire che la materia si manifesta in tre stati fondamentali: gas,
liquida e solida. In realtà, molte
delle sostanze con cui veniamo a contatto quotidianamente non sono facilmente
riconducibili a questi stati, ma sono piuttosto una miscela di due o anche tre
di loro. “Una schiuma, per esempio, è una miscela di acqua e aria mentre la
comune maionese è una delicata amalgama di olio e acqua. Il gel per capelli è un
ulteriore esempio di materiale in cui particelle solide sono disperse in acqua”,
spiegano Adriano Tiribocchi e Marco Lauricella, ricercatore Cnr-Iac, tra gli
autori dello studio. “Questi stati esotici della materia si comportano in modo
molto differente dai tre di cui sono costituiti e in genere hanno proprietà
meccaniche intermedie tra essi. Sono spesso definiti soffici proprio perché è
possibile deformarli in seguito a una sollecitazione anche debole. In
particolare, i materiali soffici costruiti a partire da emulsioni di gocce di
fluido sono di notevole importanza per i loro risvolti applicativi. Sono infatti
utilizzati in ambito ingegneristico, per la progettazione di materiali porosi
ispirati a tessuti viventi, ma anche in quello alimentare, per la produzione di
cibi a basso contenuto calorico, passando per quello farmaceutico, in
particolare nella somministrazione controllata di medicinali incapsulati
all’interno delle gocce stesse”.