Un nuovo studio rileva che, al livello più elementare, questo tipo di comportamento di gruppo produce un nuovo tipo di materia attiva che sfida le leggi della fisica, chiamato stato vorticoso.

La seconda legge del moto di Newton, afferma che quando una forza applicata a un determinato corpo aumenta, l’accelerazione del corpo aumenta e che quando la massa del corpo aumenta, la sua accelerazione diminuisce. Queste leggi della fisica si applicano alla materia non vivente, ad esempio agli atomi, ai pianeti o alle galassie.

Tuttavia gran parte della materia nel mondo è materia attiva, come ha spiegato Nikolai Brilliantov, matematico dello Skolkovo Institute of Science and Technology in Russia e dell’Università di Leicester in Inghilterra, e si muove sotto una forza auto-diretta.

Esseri viventi come i batteri, gli uccelli e gli esseri umani possono interagire con le forze che subiscono. Esistono però esempi di materia attiva “non vivente”, le nanoparticelle note come “particelle Janus”. Queste nanoparticelle sono costituite da due lati con diverse proprietà chimiche, e le interazioni tra i due lati producono un movimento.

Per studiare questo tipo di materia attiva e le interazioni con le leggi della fisica, Brilliantov e i suoi colleghi hanno utilizzato un computer per simulare gruppi di particelle che potrebbero auto-interagire. Queste particelle non interagiscono consapevolmente con l’ambiente, ha spiegato Brilliantov.

Piuttosto, si comportano in maniera simile a semplici batteri o nanoparticelle con fonti interne di energia, ma senza avere la capacità necessaria di elaborazione delle informazioni.

Le interazioni con le leggi della fisica

A sorprendere Brilliantov e il suo team è stato l’inatteso comportamento della materia attiva che interagisce in maniera differente rispetto alla materia passiva.

Come ha spiegato Brilliantov, la materia passiva può coesistere in diversi stati. Ad esempio, un bicchiere di acqua liquida può evaporare gradualmente fino a raggiungere lo stato gassoso, pur lasciando dietro di sé acqua liquida.

La materia attiva, al contrario, non coesiste in fasi diverse, ma permane in uno dei tre stati, solido, liquido o gassoso.

Le particelle si raggruppano come grandi conglomerati, o quasi-particelle, che si mischiano insieme in uno schema circolare attorno a una zona centrale vuota, un po’ come un vortice di sardine.

I ricercatori hanno soprannominato questi conglomerati di particelle “vortici” e hanno chiamato il nuovo stato della materia “stato vorticoso”.

In questo “stato vorticoso“, le particelle mostrano un comportamento bizzarro eludendo apparentemente le leggi della fisica. Ad esempio, violano la seconda legge di Newton: quando viene applicata loro una forza, non subiscono nessuna accelerazione.

“Le particelle che compongono lo stato vorticoso si muovono con una velocità costante, il che è assolutamente sorprendente”, ha detto Brilliantov.

Le simulazioni effettuate sono state molto semplici e ora si aspetta di eseguire un passo avanti, effettuare un lavoro sperimentale utilizzando la materia attiva del mondo reale per testare il comportamento delle leggi della fisica.

Brilliantov e i suoi colleghi hanno inoltre in programma di eseguire simulazioni più complesse utilizzando particelle di materia attiva con capacità di elaborazione delle informazioni.

Queste simulazioni assomigliano più da vicino l comportamento di insetti e animali e permettono a rivelare le leggi della fisica che regolano la scolarizzazione, lo sciame e il gregge.

L’obiettivo finale è creare materiali autoassemblanti a partire da materia attiva, ha affermato Brilliantov, il che rende importante comprendere le fasi di questo tipo di materia.

“È abbastanza importante osservare la natura della materia attiva” è molto più ricca di quella della materia passiva, ha concluso Brilliantov.

La ricerca è stata pubblicata a ottobre 2020 sulla rivista Scientific Reports.