Le sorprendenti proprietà dei cristalli liquidi attivi

Uno studio internazionale che ha visto coinvolti, per l’Italia, Cnr-Iac e Università degli Studi di Bari, ha analizzato le proprietà di un nuovo esempio di materia soffice attiva, costituita da gocce di fluido contenenti una miscela di micro-emulsioni e gel liquido-cristallino attivo. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Communications, saranno utili per studi sulla motilità cellulare e per lo sviluppo di materiali innovativi, di interesse nella realizzazione di tessuti biologici artificiali

Un team composto da ricercatori e ricercatrici dell’Istituto per le applicazioni del calcolo “M. Picone” del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Iac), del Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Bari, dell’Università di Edimburgo e della Ko­­c University di Istanbul ha analizzato le proprietà di un nuovo esempio di “emulsioni doppie”, costituite da gocce di fluido che contengono, al loro interno, una miscela di micro-emulsioni e gel liquido-cristallino attivo. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications e inseriti tra gli highlights nella sezione “Applied Physics and Mathematics”.

Si tratta di materiali che rientrano nell’ambito della cosiddetta “materia attiva” e che, oltre ad avere rilevanza nel settore della modellistica matematica, possono trovare impiego in campi quali bioingegneria e biomedicina: sono utilizzati, ad esempio, nei processi di design di aggregati artificiali di gocce simili a tessuti biologici o come micro-capsule per la somministrazione controllata di farmaci.

“La materia attiva è una branca della fisica che studia sistemi costituiti da un elevato numero di elementi che consumano energia e generano moti collettivi: a livello “macro” ne sono esempi gli stormi di uccelli o i banchi di pesci, mentre alla scala microscopica, come è la nostra ricerca, esempi di sistemi attivi sono campioni di batteri e proteine biologiche, come filamenti di microtubuli e chinesine. Questi ultimi, se presenti in concentrazioni sufficientemente elevate, possono esibire una struttura simile a quella di un cristallo liquido, denominata cristallo liquido attivo”, spiega Giuseppe Gonnella (Dipartimento di Fisica, Uniba).

“Se incapsulati in una goccia di fluido, questi cristalli liquidi attivi possono dare origine ad effetti sorprendenti in grado, per esempio, di generare un moto spontaneo simile a quello di alcune cellule. In questo tipo di sistemi, una delle difficoltà principali consiste proprio nel controllare e predire la direzione del moto, e nel capire come le caratteristiche dell’ambiente circostante in cui queste gocce si muovono influenzino la forma delle gocce stesse. Per far ciò, è necessario avvalersi di simulazioni al computer e del calcolo ad alte prestazioni”, aggiunge Adriano Tiribocchi (Cnr-Iac). “Nella nostra ricerca è stato mostrato che, in presenza di una singola goccia, è possibile osservare  un moto spontaneo la cui direzione è associata alla posizione della goccia interna suggerendo quindi una strategia per controllarne il moto, mentre aumentando il numero di gocce interne si osserva un moto rotatorio coordinato e regolare. In questo secondo scenario, un ruolo cruciale è svolto dai difetti topologici, affascinanti oggetti matematici osservabili anche nella vita quotidiana, nelle impronte digitali sotto forma di imperfezioni puntiformi, frutto dell’intersezione tra le linee dei polpastrelli. Sebbene studiati anche in ambiti molto diversi, come nei superfluidi o in cosmologia, questi difetti sono stati osservati per la prima volta, e in un vasto assortimento, in una emulsione doppia, dove si presentano in una forma più complicata rispetto al caso dei polpastrelli poiché si sviluppano lungo linee che attraversano l’emulsione”.

Questi risultati possono essere rilevanti anche in ambito modellistico-matematico, offrendo un contributo alle teorie che legano la topologia alla morfogenesi.