Circa un decennio fa, la scoperta della diffusione fickiana ma non gaussiana (FnGD) in materiali morbidi e biologici ha rotto il celebre quadro einsteiniano del moto browniano. Ad oggi, un fenomeno così intrigante è ancora inspiegabile a causa delle grandi sfide sperimentali poste dalla natura complessa ed eterogenea dei materiali sottostanti. Per superare queste difficoltà, i ricercatori dell'Università di Napoli Federico II (Italia) hanno ora sfruttato la luce al posto della materia complessa per creare un ambiente eterogeneo per le particelle che si diffondono nell'acqua. Il lavoro, ora pubblicato in Lettere di revisione fisica , nasce da una collaborazione tra il gruppo di Meccanica Statistica dei Materiali Morbidi presso il Dipartimento di Chimica, Ingegneria dei Materiali e della Produzione e il laboratorio di Spettroscopia Laser e Manipolazione Ottica presso il Dipartimento di Fisica.

In questo esperimento, un raggio laser passa attraverso uno "Spatial Light Modulator" a cristalli liquidi dando origine a un pattern di luce eterogeneo. Il modello di luce viene quindi proiettato su un sistema di perle di vetro di dimensioni micron in acqua, agendo sulle particelle come un campo di forze (forze ottiche). Lo "Spatial Light Modulator" consente di variare le proprietà del modello con alta precisione e controllo digitale. A causa dell'interazione tra le forze ottiche e le collisioni termiche con le molecole d'acqua, le perline esplorano il motivo luminoso come se si muovessero su una superficie ruvida. Infatti, la luce è in grado di imitare la struttura eterogenea dei materiali morbidi ma con un controllo e una riproducibilità molto più elevati rispetto ai materiali "reali". Il team di ricerca mostra che questa configurazione sperimentale è effettivamente in grado di riprodurre finemente la fenomenologia della FnGD su una gamma senza precedenti di tempistiche e probabilità di spostamento, rivelando anche nuove caratteristiche di questo fenomeno.

Un effetto memoria della subdiffusione precedente

La danza irrequieta di particelle microscopiche dovuta a collisioni termiche con le molecole dell'ambiente ha affascinato i ricercatori sin dalla scoperta del moto browniano, responsabile della diffusione, la forma più importante e diffusa di processo di trasporto. Secondo il lavoro di Einstein sul moto browniano standard, i passi di questa danza formano un cammino casuale, quindi implicando che lo spostamento quadratico medio (MSD) della particella aumenta linearmente nel tempo (Fickiano) e la distribuzione dello spostamento è gaussiana, come confermato da un'ampia varietà di esperimenti. Al contrario, passeggiate correlate (ad esempio, costituito da passaggi avanti e indietro) danno luogo a una diffusione anomala, trovato non fickiano e non gaussiano. Così, Si pensava che il comportamento fickiano e gaussiano fosse intimamente correlato.

Nel 2009 presso il Granick's Lab (Università di Urbana, Illinois), esperimenti pionieristici su sfere nanometriche in fluidi biologici complessi hanno rotto uno scenario così consolidato, rivelando l'esistenza di un nuovo tipo di diffusione che è distinto sia dal moto browniano standard che dalla diffusione anomala, essendo contemporaneamente fickiano ma non gaussiano. Da allora, una tale diffusione fickiana ma non gaussiana è stata trovata in un'ampia varietà di ambienti eterogenei, principalmente sistemi di materia soffice.

La strategia sperimentale ora elaborata presso l'Università di Napoli rivela che la FnGD è preceduta da una precedente diffusione anomala (subdiffusione), e che i due regimi sono strettamente intrecciati. Ciò porta a interpretare la FnGD come un effetto memoria:il ricordo di diffusione anomala sopravvive più a lungo nella distribuzione degli spostamenti che nel MSD, portando alla temporanea coesistenza di comportamenti fickiani e non gaussiani. Raffaele Pastore e colleghi ritengono che il sistema modello introdotto apra la strada a esperimenti estesi e finemente sintonizzabili su FnGD. Si spera che la possibilità di visualizzare facilmente un gran numero di lunghe traiettorie sveli le caratteristiche della danza browniana alla base della controintuitiva coesistenza di dinamiche fickiane ma non gaussiane.