Un team di scienziati di Bilkent ha progettato il sistema sperimentale più semplice fino ad oggi per identificare i requisiti minimi per l'emergere della complessità. Il loro lavoro è riportato nell'attuale numero di Comunicazioni sulla natura .
Mentre è universalmente riconosciuto che gli esseri umani sono sistemi complessi che vivono una vita complessa in un ambiente complesso, si sa molto poco su come emerga la complessità e su come possa essere controllata. Gran parte della comprensione degli scienziati di questa materia deriva da sistemi modello come gli automi cellulari, che sono così artificiali da avere poca rilevanza per i sistemi fisici reali. In contrasto, i sistemi della vita reale sono così complicati che è difficile individuare i fattori essenziali per l'emergere di dinamiche complesse.
Il lavoro dei ricercatori di Bilkent ha rivelato che è sufficiente puntare un laser su una soluzione colloidale per osservare un insieme molto ricco di comportamenti complessi, mostrando che le particelle possono formare aggregati autocatalitici che possono autoregolarsi, autoguarigione, autoreplicarsi e migrare. Abbastanza simile agli organismi viventi, questi aggregati possono anche assumere molti modelli diversi che competono per risorse limitate, che spesso si conclude con la sopravvivenza del più forte e la "morte" dei concorrenti meno vincenti.
Dr. Serim Ilday del Dipartimento di Fisica, chi è l'autore principale dell'articolo, ha spiegato in questo modo lo sfondo dello studio:"La natura è la fonte ultima della complessità, e sappiamo che la natura non microgestisce la complessità. La natura detta le regole e lascia che la dinamica del sistema gestisca il resto dei dettagli. Abbiamo voluto adottare questa prospettiva e fissare due generali, semplici regole a cui il sistema deve obbedire:le forze convettive create dal laser promuovono la formazione e la crescita degli aggregati, e il forte moto browniano intrinseco [movimento casuale delle particelle in un fluido] delle particelle funzionerà contro di esso. Il resto è orchestrato controllando questi meccanismi di feedback positivo e negativo utilizzando solo due parametri:potenza del laser e posizione del raggio".
I precedenti tentativi di identificare i meccanismi fondamentali dell'emergere della complessità non hanno avuto pieno successo poiché dipendevano in larga misura da meccanismi complicati che richiedevano un controllo quasi assoluto su un sistema complesso. "Questo è esattamente il motivo per cui abbiamo evitato di utilizzare particelle funzionalizzate o sostanze chimiche specifiche, magnetico, interazioni ottiche o elettriche, " ha affermato il prof. F. Ömer Ilday, coautore del paper e membro dei dipartimenti di Ingegneria Elettrica ed Elettronica e Fisica.
Il sistema funziona in modo più o meno simile a un motore a vapore. Il laser crea un punto caldo, mentre il resto del sistema è freddo. Una convezione dalle forme calde a quelle fredde, che trasporta le particelle in giro. Quando il laser è spento, la convezione si interrompe e le particelle si disperdono a causa del rumore termico o del moto browniano. "Utilizzare il rumore come strumento per controllare comportamenti complessi è stato un approccio non convenzionale, " ha affermato il Prof. Ilday. "La casualità è l'antitesi del controllo per i sistemi creati dall'uomo; gli ingegneri lavorano duramente per sopprimerlo. È l'opposto per i sistemi biologici; la vita prospera con e all'interno delle fluttuazioni. Ad ogni modo, evitare fluttuazioni semplicemente non è fattibile su scale molto piccole".
Un altro coautore, capo del dipartimento di fisica Prof. Oguz Gulseren, aggiunto, "A causa di forti fluttuazioni, abbiamo una cinetica da record; tutto accade in pochi secondi. Questo ci permette di esplorare una porzione di ordini di grandezza più ampia dello spazio delle fasi, che è fondamentale per dimostrare dinamiche più ricche".
In quanto semplice e largamente indipendente dal tipo, forma o dimensione del materiale utilizzato, il lavoro ha un grande potenziale per avere un impatto su una grande varietà di campi di ricerca, che vanno dalla materia attiva alla fisica statistica di non equilibrio, e oltre a ciò alla chimica supramolecolare o dei sistemi.
Come ha osservato il prof. Ilday, "Dato che all'acqua non importa cosa trasporta, la metodologia può essere applicata in linea di principio a molti tipi diversi di materiali, non vivente e vivente allo stesso modo. Infatti, " Lui continuò, riferendosi a uno studio di follow-up su cui sta lavorando il team, "abbiamo già iniziato a mostrare l'evoluzione."
