Un nuovo modello sviluppato dagli scienziati dell'Istituto Max Planck per la dinamica e l'auto-organizzazione (MPI-DS) estende la teoria della separazione di fase elastica alle strutture nanoscopiche. Tali modelli sono frequenti nei sistemi biologici e utilizzati anche nella nanoingegneria per creare colori strutturali. Con le loro nuove conoscenze, gli scienziati possono prevedere la scala di lunghezza dei modelli nanoscopici e quindi controllarli durante la produzione. Il modello è pubblicato sulla rivista Physical Review X .
Schemi strutturali ben definiti si trovano ovunque nei sistemi biologici. Un esempio ben noto è la colorazione delle piume degli uccelli e delle ali delle farfalle, che si basa sulla disposizione regolare di strutture nanoscopiche, nota come colore strutturale. Tali schemi spesso si formano per separazione di fase.
Diversi componenti si separano gli uni dagli altri, in modo simile a come l'olio si separa dall'acqua. Tuttavia, non è chiaro come la natura crei modelli ben definiti che portino a tali colori. In generale, la produzione di materiali sintetici su questa scala di lunghezza inferiore al micron è una sfida comune.
Un modo per controllare le strutture realizzate mediante separazione di fase si basa sull’elasticità:le deformazioni dei materiali sono ben descritte dalla teoria dell’elasticità su scala macroscopica, ad esempio, per spiegare come un pezzo di gomma si deforma sotto l’effetto della forza. Tuttavia, su scala nanoscopica, i materiali non sono più omogenei e la descrizione macroscopica del materiale è insufficiente.
Invece, è importante la disposizione effettiva delle molecole. Inoltre, deformare qualsiasi materiale richiede energia, che quindi impedisce grandi deformazioni. Le singole goccioline formate dalla separazione di fase non possono quindi crescere indefinitamente. A seconda della loro disposizione può emergere uno schema regolare.
Gli scienziati guidati da David Zwicker, capo del gruppo di ricerca Max Planck "Teoria dei fluidi biologici" presso MPI-DS, hanno ora sviluppato un modello per affrontare questo aspetto. Hanno proposto una teoria basata sull'elasticità non locale per prevedere la formazione di modelli mediante separazione di fase.
"Con il nostro nuovo modello, ora possiamo prendere in considerazione l'aspetto aggiuntivo rilevante per descrivere il sistema", afferma Zwicker. "Modellare tutti i componenti molecolari nel dettaglio atomico supererebbe la potenza di calcolo. Invece, abbiamo esteso la teoria esistente verso strutture più piccole paragonabili alla dimensione della maglia," spiega.
La nuova teoria prevede come le proprietà del materiale influenzano il modello formato. Può quindi aiutare gli ingegneri a creare strutture nanoscopiche specifiche, seguendo i principi fisici di auto-organizzazione sfruttati dalla natura.
Ulteriori informazioni: Yicheng Qiang et al, L'elasticità non locale produce modelli di equilibrio nei sistemi di separazione di fase, Revisione fisica X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021009
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dalla Max Planck Society
