PROPRIETÀ EMERGENTI DA MATERIA INANIMATA

Quando la polvere prende vita

Non è proprio come la periodica liquefazione e coagulazione del sangue di San Gennaro, ma stupisce comunque l’esperimento dell’Università Emory in cui un sottile strato di polvere plastica, all’interno di una camera piena di plasma, passa continuamente da una struttura ordinata a una fluida, pur in assenza di cambiamenti nell’ambiente. Una proprietà emergente che riproduce, assai semplificate, alcune capacità dei sistemi biologici

Nell’esperimento al laboratorio di Burton, le particelle di plastica sono sospese in una camera a vuoto riempita con plasma di gas argon. Il loro movimento viene tracciato illuminandole con un laser. Crediti: Justin Burton, Emory University

Se vedessimo un cubetto di ghiaccio, tolto dal congelatore e messo sul tavolo a temperatura ambiente, prima sciogliersi e poi riaddensarsi di nuovo nella sua forma cristallina, e poi continuare a liquefarsi e cristallizzarsi all’infinito, certamente rimarremmo di stucco. Qualcosa del genere è stato ottenuto da fisici dell’università statunitense Emory, che descrivono in un articolo recentemente pubblicato su Physical Review Letters come un insieme di microscopiche particelle di plastica possa collettivamente continuare a passare dallo stato cristallino allo stato fluido anche se le condizioni ambientali rimangono invariate.

«Abbiamo probabilmente scoperto il più semplice sistema fisico che può costantemente continuare a cambiare comportamento nel tempo in un ambiente stabile», dice Justin Burton della Emory, coautore del nuovo studio. «In effetti, il sistema è così semplice che non ci saremmo mai aspettati di vedere tali proprietà complesse emergere da esso».

Justin Burton.

Ecco che “proprietà emergenti” risulta la chiave per capire l’importanza di questa scoperta, relativamente a sistemi inanimati che presentino, collettivamente, dei comportamenti simili a quelli considerati tipici delle forme di vita. «Le singole particelle non possono cambiare tra stato cristallino e fluido», spiega Burton. «La commutazione emerge quando ci sono gruppi di queste particelle, a partire da un minimo di 40. I nostri risultati suggeriscono che la capacità di un sistema di cambiare comportamento in una qualsivoglia scala temporale è più universale di quanto precedentemente ritenuto».

Il laboratorio di Burton alla Emory studia il comportamento di minuscole particelle di plastica come modello per sistemi più complessi, mimando proprietà di fenomeni reali e studiando come un sistema cambia sotto l’azione di forze esterne. Le particelle sono sospese in una camera a vuoto riempita con un plasma di gas argon ionizzato, dove elettroni e ioni liberi si scontrano continuamente tra loro. Se vengono introdotti dei grani di plastica, gli elettroni si attaccano frequentemente alle particelle, alterando drasticamente la dinamica del sistema. I ricercatori possono quindi studiare il comportamento delle particelle semplicemente modificando la pressione del gas all’interno della camera.

Guram “Guga” Gogia

Ma quest’ultima scoperta si deve principalmente all’entusiasmo giovanile dello studente Guram Gogia, che ha ben pensato di “cucinare a fuoco lento” nella camera a vuoto un singolo strato di particelle, levitanti sopra un elettrodo carico. «Ero solo curioso di sapere come le particelle si comportassero nel tempo impostando i parametri della camera a una bassa pressione di gas, permettendo loro di muoversi liberamente», racconta Gogia. «Dopo pochi minuti ho potuto vedere con i miei occhi che succedeva qualcosa di strano».

Nell’esperimento impostato da Gogia, in un lasso di tempo compreso tra poche decine di secondi fino ad alcuni minuti, le particelle passavano da una struttura rigida, ovvero un movimento sincrono, a uno stato fluido simil-gassoso, continuando poi sorprendentemente a commutarsi fra i due stati.

«Il cambiamento di stato è una parte onnipresente del nostro mondo fisico», conclude Burton. «Niente rimane in uno stato stabile per lungo tempo, dal clima della Terra ai neuroni in un cervello umano. Capire come i sistemi attuino questi passaggi è una questione fondamentale in fisica. Il nostro modello semplifica la complessità di questo comportamento, fornendo gli ingredienti minimi necessari per aiutare a studiare sistemi ben più complessi».

Per saperne di più:

Guarda il video “How lifeless particles can become ‘life-like’, switching behaviors” della Emory University