Il moto browniano descrive il movimento casuale delle particelle nei fluidi, però, questo modello rivoluzionario funziona solo quando un fluido è statico, o in equilibrio.

In ambienti reali, i fluidi spesso contengono particelle che si muovono da sole, come piccoli microrganismi nuotatori. Questi nuotatori semoventi possono causare movimento o agitazione nel fluido, che lo allontana dall'equilibrio.

Gli esperimenti hanno dimostrato che le particelle "passive" immobili possono esibire strane, movimenti ad anello quando si interagisce con fluidi "attivi" contenenti nuotatori. Tali movimenti non si adattano ai comportamenti convenzionali delle particelle descritti dal moto browniano e finora, gli scienziati hanno faticato a spiegare come questi movimenti caotici su larga scala derivino da interazioni microscopiche tra singole particelle.

Ora i ricercatori della Queen Mary University di Londra, Università di Tsukuba, École Polytechnique Fédérale de Lausanne e Imperial College London, hanno presentato una nuova teoria per spiegare i movimenti delle particelle osservati in questi ambienti dinamici.

Suggeriscono che il nuovo modello potrebbe anche aiutare a fare previsioni sui comportamenti della vita reale nei sistemi biologici, come i modelli di foraggiamento di alghe o batteri che nuotano.

Dott. Adrian Baule, Senior Lecturer in Matematica Applicata presso la Queen Mary University di Londra, che ha gestito il progetto, ha detto:"Il moto browniano è ampiamente usato per descrivere la diffusione in tutto il fisico, scienze chimiche e biologiche; tuttavia non può essere usato per descrivere la diffusione delle particelle in sistemi più attivi che spesso osserviamo nella vita reale".

Risolvendo esplicitamente le dinamiche di dispersione tra la particella passiva e i nuotatori attivi nel fluido, i ricercatori sono stati in grado di derivare un modello efficace per il movimento delle particelle nei fluidi "attivi", che tiene conto di tutte le osservazioni sperimentali.

Il loro calcolo approfondito rivela che la dinamica effettiva delle particelle segue un cosiddetto "volo di Lévy", che è ampiamente usato per descrivere movimenti "estremi" in sistemi complessi che sono molto lontani dal comportamento tipico, come nei sistemi ecologici o nella dinamica dei terremoti.

Dott. Kiyoshi Kanazawa dell'Università di Tsukuba, e primo autore dello studio, ha dichiarato:"Finora non c'è stata alcuna spiegazione su come i voli di Lévy possano effettivamente verificarsi sulla base di interazioni microscopiche che obbediscono a leggi fisiche. I nostri risultati mostrano che i voli di Lévy possono sorgere come conseguenza delle interazioni idrodinamiche tra i nuotatori attivi e la particella passiva, il che è molto sorprendente."

Il team ha scoperto che la densità dei nuotatori attivi ha influenzato anche la durata del regime di volo di Lévy, suggerendo che i microrganismi del nuoto potrebbero sfruttare i voli di nutrienti di Lévy per determinare le migliori strategie di foraggiamento per ambienti diversi.

Il Dr. Baule ha aggiunto:"I nostri risultati suggeriscono che le strategie di foraggiamento ottimali potrebbero dipendere dalla densità delle particelle all'interno del loro ambiente. Ad esempio, a densità più elevate le ricerche attive da parte del raccoglitore potrebbero essere un approccio più efficace, mentre a densità inferiori potrebbe essere vantaggioso per il raccoglitore aspettare semplicemente che un nutriente si avvicini mentre viene trascinato dagli altri nuotatori ed esplora regioni più grandi dello spazio.

"Però, questo lavoro non solo fa luce su come i microrganismi del nuoto interagiscono con le particelle passive, come sostanze nutritive o plastica degradata, ma rivela più in generale come nasce la casualità in un ambiente di non equilibrio attivo. Questa scoperta potrebbe aiutarci a capire il comportamento di altri sistemi che sono allontanati dall'equilibrio, che si verificano non solo in fisica e biologia, ma anche nei mercati finanziari per esempio."

Il botanico inglese Robert Brown descrisse per la prima volta il moto browniano nel 1827, quando osservava i movimenti casuali mostrati dai granelli di polline quando aggiunti all'acqua.

Decenni dopo il famoso fisico Albert Einstein sviluppò il modello matematico per spiegare questo comportamento, e così facendo dimostrò l'esistenza degli atomi, gettando le basi per applicazioni diffuse nella scienza e non solo.