Sempre più prossimi alla sintesi di un cristallo quasi-vivente in movimento
Un gruppo di ricerca dell’UE ha creato cristalli artificiali combinati 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.
I sistemi biologici mostrano comportamenti collettivi che sono responsabili di imprese sorprendenti e modelli naturali sbalorditivi. Banchi di pesci, colonie di batteri o stormi di uccelli mostrano un comportamento adattivo istantaneo, un consenso tra individui singoli che si auto-organizzano in modelli collettivi, nonostante la loro apparente casualità individuale.
In natura vi sono esempi di auto-organizzazione ovunque. 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. Lo studio di queste particelle fa parte ora parte di un progetto finanziato dall’UE, chiamato MicACol.
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.
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 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. In futuro lo esso principio potrà essere applicato in strutture più complesse come i vetri colloidali.
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. L’obiettivo era quello di individuare le forze critiche necessarie per spostare le particelle attive fuori dalle loro posizioni di equilibrio del reticolo. Misurare le forze locali (repulsive) offre la possibilità di comandare il movimento di micronuoto nel cristallo e di conseguenza sapere quale tipo di particelle attive si debbano aggiungere per rendere la struttura del cristallo attiva.
I ricercatori potrebbero essere ancora lontani dalla sintesi di materia attiva artificiale solida, ad esempio materiali dinamici/mobili 3D, tuttavia gli scienziati di MicACol hanno aperto un sentiero finora inesplorato.
