Mentre le affascinanti macchie in una classica lampada di lava possono sembrare magiche, le forme colorate si muovono in risposta ai cambiamenti di densità e tensione superficiale indotti dalla temperatura. Questo processo, nota come separazione di fase liquido-liquido, è fondamentale per molte funzioni nelle cellule viventi, e svolge un ruolo nella realizzazione di prodotti come medicinali e cosmetici.

Ora i ricercatori dell'Università di Princeton hanno superato una grande sfida nello studio e nella separazione delle fasi ingegneristiche. Il loro sistema, riportato in un articolo pubblicato il 19 novembre in Lettere di revisione fisica, consente la progettazione e il controllo di miscele complesse con più fasi, come strutture nidificate che ricordano le bambole matrioska russe, che sono di particolare interesse per applicazioni come la sintesi e la somministrazione di farmaci.

Il loro sistema fornisce ai ricercatori un nuovo modo di esaminare, prevedere e progettare le interazioni tra più fasi liquide, comprese disposizioni di miscele con un numero arbitrario di fasi separate, hanno detto i ricercatori.

La disposizione delle fasi si basa sulla minimizzazione delle energie superficiali, che catturano le energie di interazione tra le molecole alle interfacce delle fasi. Questo tende a massimizzare l'area di contatto tra due fasi con bassa tensione superficiale, e ridurre al minimo o eliminare il contatto tra le fasi con elevata tensione superficiale.

Il nuovo metodo utilizza gli strumenti matematici della teoria dei grafi per tracciare quali fasi entrano in contatto tra loro all'interno di una miscela. Il metodo può prevedere le disposizioni finali delle fasi in una miscela quando le energie superficiali sono note, e può anche essere utilizzato per decodificare le proprietà delle miscele che danno origine alle strutture desiderate.

"Se ci dici quali fasi hai e quali sono le tensioni superficiali, possiamo dirvi come si organizzeranno le fasi. Possiamo anche fare il contrario:se sai come vuoi che siano organizzate le fasi, possiamo dirvi quali sono le tensioni superficiali necessarie, " ha detto l'autore senior Andrej Košmrlj, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale.

"L'approccio è molto generale, e pensiamo che avrà un impatto in molti campi diversi, " dalla biologia cellulare e farmaceutica alla stampa 3D e alle tecnologie di sequestro del carbonio, disse Košmrlj.

Il lavoro è iniziato come il giornale junior di Milena Chakraverti-Wuerthwein, un concentratore di fisica della Princeton's Class of 2020. Stava lavorando con Sheng Mao, poi un associato di ricerca post-dottorato nel gruppo di Košmrlj, basandosi su ricerche precedenti che hanno esplorato miscele separate in fase. Quel lavoro ha sviluppato un quadro computazionale per prevedere il numero di fasi separate e la loro composizione, ma non ha indagato sistematicamente la disposizione effettiva delle fasi.

Chakraverti-Wuerthwein ha iniziato a disegnare esempi di miscele multicomponente, con ogni fase rappresentata da un colore diverso. A un certo punto, lei disse, si sentiva come se stesse "girando in tondo, ma poi “ha fatto un passo indietro e ha pensato al tratto distintivo che rende una di queste morfologie diversa dall'altra. Mi è venuta l'idea che sono davvero i bordi in cui le fasi si toccano. Fu così che nacque l'idea di utilizzare i grafici, " in cui ogni fase è rappresentata da un punto colorato, e le linee tra i punti indicano quali fasi si toccano in una miscela.

"Era la scintilla di cui avevamo bisogno, perché una volta che puoi rappresentarlo in termini di grafici, allora è molto facile enumerare tutte le possibilità" per diverse disposizioni di fasi, disse Košmrlj.

Chakraverti-Wuerthwein è co-autore del documento insieme a Mao, che ora è assistente professore all'Università di Pechino in Cina. Coautore Hunter Gaudio, un laureato 2020 dell'Università di Villanova, ha aiutato a eseguire simulazioni per produrre tutte le disposizioni distinte di quattro fasi durante l'estate 2019 come partecipante al programma di ricerca per studenti universitari del Princeton Center for Complex Materials.

"Normalmente, ai liquidi piace fare semplici goccioline, e poco altro. Con questa teoria, si possono programmare le goccioline per organizzarsi spontaneamente in catene, pile, o strati annidati, come bambole russe, "ha detto Eric Dufresne, un professore di materiali morbidi e viventi presso l'ETH di Zurigo in Svizzera, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questo potrebbe essere utile per controllare una sequenza complessa di reazioni chimiche, come si trova nelle cellule viventi. La prossima sfida sarà sviluppare metodi sperimentali per realizzare le interazioni specificate dalla teoria".

Košmrlj fa parte di un gruppo di docenti di Princeton che esplorano vari aspetti e applicazioni della separazione di fase liquido-liquido, uno dei principali obiettivi di un gruppo di ricerca interdisciplinare lanciato di recente dal Princeton Center for Complex Materials con il supporto della National Science Foundation.

In ambienti liquidi, c'è una tendenza per le piccole goccioline a trasformarsi in goccioline più grandi nel tempo, un processo chiamato sgrossatura. Però, nelle cellule viventi e nei processi industriali è desiderabile realizzare strutture di dimensioni specifiche. Košmrlj ha affermato che il lavoro futuro del suo team prenderà in considerazione il modo in cui la sgrossatura potrebbe essere controllata per ottenere miscele con strutture mirate su piccola scala. Un'altra questione aperta è come si formano le miscele multicomponenti nei sistemi viventi, dove i processi biologici attivi e la fisica di base dei materiali sono entrambi fattori che contribuiscono.

Chakraverti-Wuerthwein, chi inizierà un dottorato di ricerca programma in scienze biofisiche presso l'Università di Chicago nel 2021, ha detto che è stato gratificante vedere "che questo nucleo di un'idea che mi è venuta alla fine è diventato qualcosa di prezioso che potrebbe essere ampliato in uno strumento più ampiamente applicabile".