Un esperimento elegantemente semplice con particelle galleggianti che si autoassemblano in risposta alle onde sonore ha fornito un nuovo quadro per studiare come emergono comportamenti apparentemente realistici in risposta a forze esterne.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato come le particelle, galleggiante sopra una soluzione di acqua e glicerina, sincronizzare in risposta alle onde acustiche emesse da un altoparlante del computer.

Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Materiali della natura , potrebbe aiutare ad affrontare questioni fondamentali sulla dissipazione di energia e su come essa consente ai sistemi viventi e non viventi di adattarsi al loro ambiente quando sono fuori dall'equilibrio termodinamico.

"L'autoassemblaggio dinamico in condizioni di non equilibrio non è importante solo in fisica, ma anche nel nostro mondo vivente, " disse Xiang Zhang, autore corrispondente del documento e uno scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab con un appuntamento congiunto presso l'UC Berkeley. "Però, i principi che ne sono alla base sono solo parzialmente compresi. Questo lavoro fornisce una piattaforma semplice ma elegante per studiare e comprendere tali fenomeni".

Per sentirlo descrivere da alcuni fisici, questo stato di non equilibrio, caratterizzato dalla capacità di cambiare ed evolvere costantemente, è l'essenza della vita. Si applica ai sistemi biologici, dalle cellule agli ecosistemi, così come a certi sistemi non biologici, come i modelli meteorologici o climatici. Lo studio dei sistemi di non equilibrio avvicina un po' i teorici alla comprensione di come emerga la vita, in particolare la vita intelligente.

Però, è complicato e difficile da studiare perché i sistemi di non equilibrio sono sistemi aperti, ha detto Zhang. Ha notato che ai fisici piace studiare cose che sono stabili e in sistemi chiusi.

"Mostriamo che le particelle "stupide" individualmente possono auto-organizzarsi lontano dall'equilibrio dissipando energia ed emergere con un tratto collettivo che è dinamicamente adattivo e riflettente del loro ambiente, ", ha affermato l'autore principale dello studio Chad Ropp, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Zhang. "In questo caso, le particelle seguivano il "battito" di un'onda sonora generata dall'altoparlante di un computer."

In particolare, dopo che i ricercatori hanno intenzionalmente sciolto il partito delle particelle, i pezzi si ricompongono, mostrando capacità di autoguarigione.

Ropp ha osservato che questo lavoro potrebbe eventualmente portare a un'ampia varietà di applicazioni "intelligenti", come il camuffamento adattivo che risponde alle onde sonore e luminose, o materiali grezzi le cui proprietà sono scritte su richiesta da unità controllate esternamente.

Mentre studi precedenti hanno dimostrato che le particelle sono in grado di autoassemblarsi in risposta a una forza esterna, questo articolo presenta un quadro generale che i ricercatori possono utilizzare per studiare i meccanismi di adattamento nei sistemi di non equilibrio.

"La distinzione nel nostro lavoro è che possiamo prevedere cosa succede - come si comporteranno le particelle - che è inaspettato, " ha detto un altro co-autore Nicolas Bachelard, che è anche ricercatore post-dottorato nel gruppo di Zhang.

Poiché le onde sonore viaggiavano a una frequenza di 4 kilohertz, le particelle di dispersione si muovevano a circa 1 centimetro al minuto. Entro 10 minuti, emerse lo schema collettivo delle particelle, dove la distanza tra le particelle era sorprendentemente non uniforme. I ricercatori hanno scoperto che le particelle autoassemblate mostravano un bandgap fononico - una gamma di frequenze in cui le onde acustiche non possono passare - il cui bordo era indissolubilmente legato, o "schiavo, " all'ingresso a 4 kHz.

"Questa è una caratteristica che non era presente con le singole particelle, " ha detto Bachelard. "E 'apparso solo quando le particelle organizzate collettivamente, ecco perché chiamiamo questa una proprietà emergente della nostra struttura in condizioni di non equilibrio."

Il disegno sperimentale non avrebbe potuto essere più semplice. Per la guida d'onda, i ricercatori hanno utilizzato un tubo acrilico lungo 2 metri che conteneva una pozza profonda 5 millimetri di una soluzione di acqua e glicerina. Le particelle erano fatte di cannucce che galleggiavano su un pezzo piatto di plastica, e la sorgente sonora proveniva dagli altoparlanti del computer standard che i ricercatori hanno diretto nel tubo tramite un imbuto di plastica. La misurazione delle onde sonore si è rivelata la parte più tecnica dell'esperimento.

"Questo è qualcosa che potresti fare da solo nel tuo garage, " ha detto Ropp. "E 'stato un esperimento a buon mercato con le parti che sono disponibili presso il tuo negozio di ferramenta all'angolo. A un certo punto, avevamo bisogno di cannucce più grandi, così sono uscito e ho comprato del tè Boba. La configurazione è stata estremamente semplice, ma ha mostrato la fisica magnificamente."

L'esperimento si è concentrato sulle onde acustiche perché l'isolamento acustico era più facile da ottenere, ma i principi alla base del comportamento che hanno osservato sarebbero applicabili a qualsiasi sistema di onde, hanno detto i ricercatori.

Questa ricerca fondamentale potrebbe costituire la base per lo sviluppo di reti intelligenti che eseguono semplici calcoli non algoritmici, con un futuro verso sistemi che svolgono processi decisionali simili a quelli senzienti, hanno detto i ricercatori.

"Posso pensare a paralleli con cervelli artificiali, con sezioni che rispondono a diverse "onde cerebrali" di frequenza che sono malleabili e riconfigurabili, " ha detto Ropp.