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CNR: nelle sospensioni colloidali l'aggregazione fa la forza

CNR: nelle sospensioni colloidali l'aggregazione fa la forza

Uno studio dell'Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc) in collaborazione con Sapienza Università di Roma, pubblicato su Nature Communications, predice l'esistenza di una forza dovuta a un nuovo ‘effetto Casimir’ in sospensioni colloidali

Mentre su scale atomiche e molecolari le particelle interagiscono secondo le leggi immutabili della meccanica quantistica, su scale nano o microscopiche le interazioni tra le particelle colloidali possono essere manipolate dall'uomo in differenti modi. Il metodo maggiormente usato è quello di disperdere in soluzione con i colloidi degli additivi macromolecolari, ad esempio polimeri, tensioattivi o nanoparticelle. Dato che i colloidi e gli additivi risentono di effetti di ‘volume escluso’, ovvero non possono occupare la stessa regione di spazio, fra i colloidi si crea una forza puramente entropica, detta ‘di depletion’. Questa forza, predetta esattamente 60 anni fa dai fisici giapponesi Shu Asakura e Fumio Oosawa, agisce solo su distanze fra colloidi dell’ordine della taglia dell’additivo, ovvero molto piccole rispetto al colloide stesso.

Lo studio recente di Nicoletta Gnan ed Emanuela Zaccarelli dell'Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc) in collaborazione con Francesco Sciortino della Sapienza Università di Roma, pubblicato su Nature Communications, spiega invece come sia possibile generare un nuovo tipo di forza entropica su scale molto più grandi, sfruttando le proprietà di aggregazione degli additivi in soluzione. Queste proprietà sono teoricamente note e seguono le regole della percolazione, ovvero la transizione per cui gli additivi passano da uno stato disperso a uno stato connesso. Avvicinandosi alla percolazione si formano aggregati macromolecolari di differenti taglie, le cui proprietà sono universali e non dipendono dalla composizione chimica specifica degli additivi. Utilizzando quindi come additivo un sistema vicino alla transizione di percolazione, Gnan e collaboratori hanno predetto, attraverso simulazioni numeriche e calcoli teorici, che si può generare una forza tra i colloidi dalla forma universale e con un raggio d'azione molto maggiore della taglia del singolo additivo, superando dunque di gran lunga la semplice depletion.

Il meccanismo in gioco ha profonde analogie con l'effetto Casimir, che nel caso quantistico genera una forza di attrazione tra due lastre metalliche neutre attraverso il confinamento delle fluttuazioni del campo elettromagnetico. Dal punto di vista classico, invece largamente studiato è l'effetto Casimir critico che ha origine dal confinamento delle fluttuazioni critiche tra due superfici, ad esempio due colloidi, come predetto nel 1978 dal premio Nobel Pierre-Gilles De Gennes. Lo studio di Cnr-Isc e Sapienza discute per la prima volta un nuovo effetto Casimir di natura geometrica. Infatti, vicino alla percolazione si trovano aggregati di tutte le taglie: alcune verranno escluse, altre verranno confinate tra i colloidi. Le fluttuazioni della taglia degli aggregati confinati danno origine a questa nuova forza.

Il presente lavoro si inserisce all'interno del progetto Anisoft ‘Anisotropie e non-equilibrio nella materia soffice: modalità di auto-organizzazione di materiali avanzati’, finanziato dal ministero dell’Istruzione dell’università e della ricerca attraverso il Bando Futuro in ricerca 2012, di cui Emanuela Zaccarelli è coordinatrice nazionale. Ora si attende un riscontro sperimentale delle predizioni che potrebbe aprire la via allo sfruttamento sistematico di queste forze per il controllo della stabilità e delle fasi delle sospensioni colloidali. Data la generalità della fisica in gioco, questa scoperta ha le carte in regola per essere applicata a tutto campo nelle diverse applicazioni della materia soffice.

Fonte: CNR