Nuove potenzialità della "materia attiva"

Istituto per le applicazioni del calcolo (Cnr-Iac), Università di Bari, Università di Edimburgo, Istituto italiano di tecnologia 09 Ott 2020
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Formazione di un canale soffice in cui il fluido passivo scorre fra due strati di materiale attivo

 


Uno studio dell'Istituto per le applicazioni del calcolo del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iac), le Università di Bari ed Edimburgo, e l'Istituto italiano di tecnologia, ha osservato le proprietà morfologiche e viscose di una emulsione, contenente due fluidi di cui uno attivo (autopropulso), sotto l'azione di un flusso con profilo lineare. Lo studio mostra che, in opportune condizioni, il flusso imposto e l'attività del fluido favoriscono la formazione di un canale soffice in cui il fluido passivo scorre fra due strati di materiale attivo. I risultati, pubblicati sulla rivista Scientific Reports, aprono la strada a studi sperimentali di emulsioni attive con nuove proprietà meccaniche dalle notevoli possibilità applicative. 

A tutti è capitato di osservare che stormi di uccelli, banchi di pesci e altri gruppi di animali appaiono muoversi in modo sincronizzato e organizzato tanto da sembrare un unico corpo animato. Lo stesso accade a livello più piccolo: sospensioni di batteri, tessuti cellulari e organismi artificiali in grado di muoversi autonomamente mostrano movimenti di gruppo sorprendenti. Questi sistemi sono quelli che vengono chiamati "materia attiva", un termine coniato solo da pochi anni per descrivere queste strutture composte da molti elementi biologici o artificiali, dove ogni singolo elemento è in grado di estrarre energia, fornita internamente o dall'esterno, e generare movimento. Questo determina la comparsa di nuovi effetti sorprendenti come flussi spontanei, separazione di fase attiva e proprietà fluide nuove.

Di particolare interesse è la ricca fenomenologia che i materiali attivi mostrano quando sono sottoposti a flusso esterno con un profilo di velocità lineare. “In letteratura sono descritti studi su gel contrattili, come le sospensioni di microalghe, che riportano un aumento della viscosità con l'attività del sistema. Nel nostro lavoro abbiamo studiato, attraverso simulazioni numeriche basate sul metodo reticolare di Boltzmann, il comportamento dinamico di una emulsione composta da una miscela di un fluido passivo e un gel polare contrattile attivo in presenza di un surfattante che favorisce l'emulsificazione dei due fluidi" dichiara Antonio Lamura dell'Istituto per le applicazioni del calcolo del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Iac), co-autore dello studio pubblicato su Scientific Reports in collaborazione con le Università di Bari ed Edimburgo, e l'Istituto italiano di tecnologia, e prosegue: "Troviamo diversi modi in cui i due fluidi si organizzano al variare dell'attività contrattile e del flusso imposto: un esempio è riportato nell'immagine allegata.

È di particolare interesse la formazione di un canale soffice in cui il fluido passivo (in blu) scorre fra due strati di materiale attivo (in rosso-giallo; configurazione [f] nella figura allegata). Col nostro modello siamo in grado di verificare che l'attività del fluido è fondamentale per stabilizzare il canale e caratterizzare quantitativamente il comportamento del sistema determinandone la viscosità".

L'importanza dello studio della materia attiva sta nel fatto che si tratta di un esempio di sistemi fuori dall'equilibrio e fornisce la possibilità di costruire e testare nuovi approcci teorici. Inoltre, le più recenti tecnologie, che usano materiale biologico su micro- e nano-scale, incorporano materiali attivi. "Per questo motivo descrivere e essere in grado di predire nuove proprietà, avrà un forte impatto su nuove tecnologie. Da questo punto di vista ci auguriamo che i nostri risultati possano stimolare nuovi studi sperimentali per creare emulsioni attive caratterizzate dalla presenza di canali microfluidici soffici con nuove proprietà meccaniche dalle notevoli possibilità applicative" conclude Lamura.



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