Cristalli Liquidi Attivi: la Materia Soffice attiva che imita la vita e promette rivoluzioni biomediche
Roma/Bari/Edimburgo/Istanbul – Un team internazionale di ricercatori, con una significativa partecipazione italiana da parte del Cnr-Iac (Istituto per le applicazioni del calcolo “M. Picone” del Consiglio nazionale delle ricerche) e dell’Università degli Studi di Bari, ha svelato le sorprendenti proprietà di una nuova forma di “materia attiva”, i cristalli liquidi attivi.
Questo innovativo materiale soffice è costituito da intricate gocce di fluido che racchiudono una miscela dinamica di micro-emulsioni e un gel liquido-cristallino attivo.
I promettenti risultati di questa ricerca, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Communications, aprono nuove prospettive per la comprensione della motilità cellulare e per lo sviluppo di materiali all’avanguardia, con un occhio di riguardo alla creazione di tessuti biologici artificiali.
Lo studio ha visto la sinergia di menti brillanti provenienti, oltre alle istituzioni italiane, dall’Università di Edimburgo e dalla Koç University di Istanbul.
Il loro focus si è concentrato sull’analisi dettagliata di queste “emulsioni doppie”, strutture complesse dove gocce di fluido incapsulano un micro-cosmo di emulsioni più piccole e un gel dalle proprietà uniche.
La rilevanza della scoperta è stata sottolineata dalla stessa Nature Communications, che ha incluso la pubblicazione tra i suoi “highlights” nella sezione dedicata alla Fisica Applicata e alla Matematica.
La “materia attiva”, di cui questo studio offre un nuovo affascinante esempio, rappresenta un campo di frontiera della fisica.
Questi sistemi, composti da un gran numero di elementi che consumano energia per generare movimento collettivo, spaziano da fenomeni naturali macroscopici come gli stormi di uccelli e i banchi di pesci, fino a sistemi microscopici come batteri e proteine biologiche.
“Questi ultimi, se presenti in concentrazioni sufficientemente elevate, possono auto-organizzarsi in strutture simili a cristalli liquidi, dando origine a ciò che definiamo cristalli liquidi attivi,” spiega il professor Giuseppe Gonnella del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bari.
L’incapsulamento di questi cristalli liquidi attivi all’interno di gocce di fluido innesca dinamiche inaspettate.
“Questi sistemi possono generare un moto spontaneo che ricorda il movimento di alcune cellule,” aggiunge il dottor Adriano Tiribocchi del Cnr-Iac. “Una delle sfide principali in questo campo è riuscire a controllare e prevedere la direzione di questo moto, e comprendere come l’ambiente circostante influenzi la forma delle gocce stesse. Per affrontare questa complessità, ricorriamo a sofisticate simulazioni al computer e al calcolo ad alte prestazioni.”
La ricerca ha portato a scoperte significative sul controllo del movimento di queste micro-strutture.
“Abbiamo dimostrato che, in presenza di una singola goccia interna, è possibile osservare un moto spontaneo la cui direzione sembra essere strettamente legata alla posizione di questa goccia interna, suggerendo una potenziale strategia per guidarne il movimento,” precisa Tiribocchi. “Inoltre, aumentando il numero di gocce interne, si manifesta un moto rotatorio coordinato e sorprendentemente regolare.”
Un ruolo cruciale in questo scenario è giocato dai “difetti topologici”, affascinanti entità matematiche che si manifestano in diverse scale, dalle imperfezioni puntiformi nelle impronte digitali fino ai superfluidi e alla cosmologia.
“Sebbene ampiamente studiati in contesti disparati, questi difetti sono stati osservati per la prima volta, e in una sorprendente varietà di forme, all’interno di un’emulsione doppia,” sottolinea Gonnella. “Qui si presentano in una configurazione più complessa rispetto al caso delle impronte digitali, sviluppandosi lungo linee che attraversano l’intera emulsione.”
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la fisica della materia soffice. I risultati ottenuti potrebbero fornire un contributo fondamentale alle teorie che esplorano il legame tra la topologia e la morfogenesi, aprendo nuove strade per la comprensione dei processi di auto-organizzazione della materia e, in prospettiva, per la progettazione di materiali bio-ispirati con funzionalità avanzate.
Le potenziali applicazioni in bioingegneria e biomedicina, come la creazione di aggregati artificiali di cellule simili a tessuti viventi o lo sviluppo di microcapsule intelligenti per la somministrazione mirata di farmaci, appaiono ora più concrete e stimolanti che mai.
Immagine: a) Esempio di emulsione doppia la cui direzione del moto è indicata dalla freccia nera. Le frecce colorate all’interno indicano la direzione del campo di velocità. b) Impronta digitale in cui sono evidenziati i difetti topologici. La lettera “m” indica la corrispondente “carica” topologica. c) Emulsione doppia con due gocce confinate all’interno. La linea colorata rappresenta un esempio di difetto topologico, i cui colori sono associati alla carica topologica.
