Lucciole, cellule del cuore, orologi, e le reti elettriche lo fanno:possono sincronizzarsi spontaneamente, inviare segnali all'unisono. Per secoli, gli scienziati sono rimasti perplessi da questo comportamento auto-organizzato, inventare teorie ed esperimenti che costituiscono la scienza della sincronizzazione. Ma nonostante i progressi compiuti nel campo, i misteri persistono ancora, in particolare il modo in cui reti di elementi completamente identici possono non essere sincronizzate.

Ora, in un nuovo studio nel numero dell'8 marzo della rivista Scienza , I ricercatori del Caltech hanno dimostrato sperimentalmente come una semplice rete di nanomacchine sincronizzate identiche possa dare origine a fuori sincronia, stati complessi. Immagina una fila di ballerini di Rockette:quando calciano tutti allo stesso tempo, sono sincronizzati. Uno degli stati complessi osservati derivare dalla rete semplice sarebbe simile ai ballerini di Rockette che scalciano le gambe "fuori fase" l'uno con l'altro, dove ogni altro ballerino sta scalciando, mentre i ballerini in mezzo hanno appena terminato un calcio.

I risultati dimostrano sperimentalmente che anche reti semplici possono portare a complessità, e questa conoscenza, a sua volta, potrebbe infine portare a nuovi strumenti per il controllo di tali reti. Per esempio, comprendendo meglio come le cellule cardiache o le reti elettriche mostrino complessità in reti apparentemente uniformi, i ricercatori potrebbero essere in grado di sviluppare nuovi strumenti per riportare queste reti al ritmo.

"Vogliamo imparare come possiamo semplicemente solleticare, o spingere delicatamente, un sistema nella giusta direzione per riportarlo in uno stato sincronizzato, "dice Michael L. Roukes, il professore di fisica Frank J. Roshek, Fisiche applicate, e Bioingegneria al Caltech, e principale investigatore del nuovo Scienza studio. "Questo potrebbe forse generare una forma di nuovo, defibrillatori meno aggressivi, Per esempio, per aver riportato il cuore a ritmo".

Le oscillazioni sincronizzate furono notate per la prima volta nel 1600, quando lo scienziato olandese Christiaan Huygens, noto per aver scoperto la luna di Saturno Titano, notò che due orologi a pendolo appesi a un supporto comune alla fine avrebbero iniziato a ticchettare all'unisono. Attraverso i secoli, matematici e altri scienziati hanno escogitato vari modi per spiegare lo strano fenomeno, visto anche nelle cellule del cuore e del cervello, Lucciole, nuvole di atomi freddi, i ritmi circadiani degli animali, e molti altri sistemi.

In sostanza, queste reti sono costituite da due o più oscillatori (i nodi della rete), che hanno la capacità di spuntare da soli, inviare segnali ripetuti. I nodi devono anche essere collegati in qualche modo tra loro (attraverso i bordi della rete), in modo che possano comunicare e inviare messaggi sui loro vari stati.

Ma è stato anche osservato dai primi anni 2000 che queste reti, anche quando costituito da oscillatori identici, può uscire spontaneamente fuori sincrono ed evolversi in schemi complessi. Per capire meglio cosa sta succedendo, Roukes e colleghi hanno iniziato a sviluppare reti di dispositivi nanomeccanici oscillanti. Hanno iniziato collegando semplicemente due, e adesso, nel nuovo studio, hanno sviluppato un sistema interconnesso di otto.

Con sorpresa della squadra, il sistema a otto nodi si è evoluto spontaneamente in vari esotici, stati complessi. "Questa è la prima dimostrazione sperimentale che questi molti distinti, stati complessi possono verificarsi nello stesso sistema semplice, ", afferma il coautore James Crutchfield, un visiting associate in fisica al Caltech e un professore di fisica alla UC Davis.

Per tornare alla metafora di Rockettes, un altro esempio di uno di questi stati complessi sarebbe se ogni altro ballerino alzasse una gamba, mentre i ballerini in mezzo stavano facendo qualcosa di completamente diverso come agitare i loro cappelli. E gli esempi diventano ancora più sfumati di così; con coppie di ballerini che fanno gli stessi movimenti tra coppie di altre danze che fanno qualcosa di diverso.

"La caratteristica sconcertante di questi stati particolari è che le Rockettes nella nostra metafora possono vedere solo il loro vicino più prossimo, eppure riescono a coordinarsi con il prossimo del prossimo, ", afferma l'autore principale Matthew Matheny, ricercatore al Caltech e membro del Kavli Nanoscience Institute.

"Non sapevamo cosa avremmo visto, " dice Matheny. "Ma quello che ci dicono questi esperimenti è che si può ottenere la complessità da un sistema molto semplice. Questo era qualcosa a cui era stato accennato prima ma non mostrato sperimentalmente fino ad ora".

"Questi stati esotici derivanti da un sistema semplice sono ciò che chiamiamo emergente, "dice Roukes. "Il tutto è maggiore della somma delle parti."

I ricercatori sperano di continuare a costruire reti sempre più complesse e osservare cosa succede quando sono collegati più di otto nodi. Dicono che più riescono a capire come si evolvono le reti nel tempo, più possono controllarli con precisione in modi utili. E alla fine potrebbero persino essere in grado di applicare ciò che stanno imparando per modellare e comprendere meglio il cervello umano, una delle reti più complesse che conosciamo, con non solo otto nodi ma 200 miliardi di neuroni collegati tra loro tipicamente da migliaia di bordi sinaptici.

"Decenni dopo le prime teorie della scienza della sincronizzazione, e stiamo finalmente cominciando a capire cosa sta succedendo, " dice Roukes. "Ci vorrà un po' di tempo prima di capire la rete incredibilmente complessa del nostro cervello."

Il nuovo Scienza lo studio è intitolato, "Stati esotici in una semplice rete di oscillatori nanoelettromeccanici".