Ogni giorno osserviamo la condensazione del vapore acqueo in goccioline liquide, sia come gocce di rugiada sulle foglie o come gocce sul coperchio di una pentola. Dal lavoro del fisico olandese J.D. van der Waals nel 19° secolo, si è capito che la condensazione deriva da forze attrattive tra le molecole di un fluido.

Ora, un team internazionale di ricercatori ha scoperto un nuovo meccanismo di condensazione:anche se non si attraggono, le particelle semoventi possono condensarsi girando verso regioni dense, dove si accumulano. Lo studio è stato pubblicato su Fisica della natura .

"È come se le auto dirigessero verso aree affollate e rendessero la folla ancora più grande, " ha spiegato Steve Granick, direttore dell'IBS Center for Soft and Living Matter a Ulsan, Corea del Sud. Le particelle semoventi hanno motori interni che consentono loro di muoversi da sole. Esempi includono batteri, cellule di mammifero, e persino umani. I sistemi di particelle semoventi sono un esempio di materia attiva, un campo di ricerca in crescita.

Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno cercato di capire la condensazione, o separazione di fase liquido-gas, in materia attiva. I primi lavori hanno rivelato che, a differenza delle molecole fluide passive, le particelle semoventi possono condensare anche se non si attraggono.

Il lavoro precedente ha mostrato che "le particelle mobili si scontrano tra loro e rimangono bloccate nella collisione per un po', permettendo ad altre particelle di unirsi e creare un ingorgo, "ha detto Ricard Alert, un ricercatore post-dottorato presso il Princeton Center for Theoretical Science e uno dei co-primi autori del nuovo studio.

"In questi sistemi, le particelle si separano in due fasi:grappoli densi dove riescono a malapena a muoversi, e un gas diluito dove si muovono veloci, " ha spiegato Ned Wingreen, Howard A. Prior Professor dell'Università di Princeton nelle scienze della vita.

Nel nuovo lavoro, il team di ricerca ha studiato le particelle semoventi sintetizzate in laboratorio. "Abbiamo preso microscopiche sfere di vetro e abbiamo rivestito un emisfero con un sottile strato metallico, "ha spiegato Jie Zhang, un ricercatore post-dottorato presso l'Università della California a Santa Barbara, NOI., e co-primo autore dello studio.

Le particelle hanno una faccia di vetro e una di metallo; sono conosciute come particelle di Giano in onore del dio romano bifronte.

Quando i ricercatori hanno applicato un campo elettrico, le particelle hanno iniziato a correre con la loro faccia di vetro davanti e la loro faccia metallica sul retro. Come previsto, le particelle iniziarono immediatamente a condensarsi in ammassi. Però, i ricercatori sono rimasti sorpresi nel vedere che, a differenza del traffico intenso, le particelle negli ammassi continuavano a muoversi rapidamente.

"Piuttosto che inceppato, gli ammassi brulicavano di particelle che si muovevano continuamente dentro e fuori, " ha detto Zhang. "Questa scoperta è stata allo stesso tempo eccitante e intrigante".

L'osservazione significava che il movimento più lento delle particelle negli ammassi non poteva spiegare la condensazione in questo caso, che ha spinto il team a sviluppare una teoria per il comportamento collettivo delle particelle attive di Janus. Il team ha scoperto che, piuttosto che rimanere bloccati come in un ingorgo, le particelle ruotano verso aree dense. Le particelle si riorientano e poi si spingono da sole verso la folla.

"Questo è un nuovo meccanismo di condensazione che si basa su come le particelle si riorientano a vicenda, " ha detto Alert. "Questa scoperta porta una nuova idea nel campo, dimostrando che non solo le forze ma anche le coppie possono produrre condensa e separazione di fase liquido-gas."

Il nuovo meccanismo consente alle particelle di continuare a muoversi anche in ammassi densi. I ricercatori sono quindi fiduciosi che le loro scoperte guideranno il lavoro futuro per autoassemblare gruppi dinamici di agenti attivi, da particelle microscopiche a esseri umani e robot, che entrano ed escono rapidamente da un cluster.

"Un ricambio così veloce potrebbe rivelarsi utile come strategia per un efficiente scambio di informazioni tra gli individui di un gruppo, ", ha detto Granick.