Stormi di storni che producono modelli abbaglianti nel cielo sono esempi naturali di materia attiva:gruppi di agenti individuali che si uniscono per creare dinamiche collettive. In uno studio apparso sulla copertina del numero del 6 marzo della rivista Scienza , un team di ricercatori che include fisici della Brown University rivela nuove intuizioni su ciò che accade all'interno dei sistemi di materia attiva.

La ricerca descrive esperimenti utilizzando un nematico attivo tridimensionale. Nematic descrive uno stato della materia che emerge nel tipo di cristalli liquidi ampiamente utilizzati nei display di smartphone e televisori. Le molecole a forma di sigaro nei cristalli liquidi sono in grado di muoversi come in un liquido, ma tendono a rimanere ordinati più o meno nella stessa direzione, un po' come un cristallo.

In un normale cristallo liquido, le molecole sono passive, nel senso che non hanno la capacità di auto-propulsione. Ma il sistema coinvolto in questo nuovo studio sostituisce quelle molecole passive con minuscoli fasci di microtubuli, ciascuno con la capacità di consumare carburante e spingersi. L'obiettivo della ricerca era studiare come quegli elementi attivi influenzano l'ordine del sistema.

"Questi microtubuli tendono ad allinearsi, ma anche distruggere continuamente il proprio ordine di allineamento con il loro movimento, ", ha affermato il coautore dello studio Daniel Beller, un assistente professore di fisica presso l'Università della California, Merce, che ha iniziato a lavorare sulla ricerca mentre era ricercatore post-dottorato alla Brown. "Quindi ci sono movimenti collettivi che creano difetti nell'allineamento, ed è quello che studiamo qui."

Man mano che il sistema si evolve, i difetti sembrano prendere vita in un certo senso, creare linee, loop e altre strutture che si snodano attraverso il sistema. I ricercatori hanno studiato le strutture utilizzando la topologia, una branca della matematica che si occupa di come le cose si deformano senza rompersi.

"Se il tuo obiettivo è comprendere le dinamiche di questi sistemi, quindi un modo per farlo è concentrarsi su queste strutture topologiche emergenti come un modo per caratterizzare le dinamiche, " ha detto Robert Pelcovits, professore di fisica alla Brown e coautore dello studio. "Se possiamo ottenere principi guida da questo semplice sistema, che potrebbe aiutarci a capire quelli più complicati."

Beller, Pelcovits e Thomas Powers, professore di ingegneria e fisica alla Brown, ha condotto il lavoro teorico per lo studio. Il lavoro sperimentale è stato eseguito da ricercatori della Brandeis University e dell'Università della California, Santa Barbara. Ricercatori del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, l'Università di Chicago, Brandeis e la Eindhoven University of Technology hanno contribuito con le loro competenze di modellazione informatica.

Questo tipo di lavoro era stato fatto in sistemi bidimensionali, ma questa è la prima volta che un sistema 3D è stato studiato in questo modo. La ricerca ha mostrato che le strutture topologiche dominanti nel sistema erano strutture ad anello che emergono spontaneamente, espandersi e poi autodistruggersi.

I loop sono legati ai tipi di difetti che emergono nei sistemi 2-D meglio studiati, ma differiscono in modo fondamentale, dicono i ricercatori. In 2-D, i difetti insorgono in coppie di punti che hanno caratteristiche opposte o "addebiti, " un po' come le particelle e le antiparticelle. Una volta formate, esistono fino a quando alla fine si imbattono in un difetto con la carica opposta, che li fa annientare.

I loop che si formano in 3-D, in contrasto, non avere alcun addebito. Di conseguenza, si formano e si annientano da soli. Sono ancora legati alle strutture dei difetti 2-D, però. Infatti, i loop 3-D possono essere pensati come estensioni di difetti puntiformi 2-D. Immagina due punti difettosi seduti su una superficie 2D. Ora collega questi due punti con un arco che sale dalla superficie 2-D, e un secondo arco sul lato inferiore della superficie. Il risultato è un ciclo che ha entrambe le cariche dei punti, ma è esso stesso a carica neutra. Ciò consente la nucleazione e l'annientamento da soli.

I ricercatori sperano che questa nuova comprensione delle dinamiche di questo sistema sarà applicabile nei sistemi del mondo reale come le colonie batteriche, strutture e sistemi del corpo umano, o altri sistemi.

"Quello che abbiamo trovato qui è un insieme abbastanza generale di comportamenti che pensiamo saranno pienamente presenti in sistemi simili che hanno questa tendenza ad allinearsi, ma che stanno anche trasformando l'energia immagazzinata in movimento, " ha detto Beller.