Tunable Hyperuniformity and Hidden Information in Random Cellular Structures

La natura spesso nasconde la sua ingegneria più sofisticata in piena vista. Osservate un foglio di pelle, uno strato di cellule nell'intestino o il rivestimento di un polmone, e vedrete un mosaico caotico di forme irregolari, molto simile a un letto di fango crepato o a un puzzle in cui i pezzi non si incastrano perfettamente in un modello. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che questi tessuti biologici non sono disordine casuale; possiedono un ordine nascosto che permette loro di funzionare sia come fluidi che come solidi, scorrendo quando necessario e mantenendosi fermi quando serve. Questo equilibrio è critico per la vita, eppure le regole che governano il modo in cui tale disordine possa essere così preciso sono rimaste elusive. La questione è stata se questo ordine fosse un colpo di fortuna della biologia o un principio fondamentale della fisica che può essere ingegnerizzato. I ricercatori conoscono da tempo una classe speciale di materiali chiamati sistemi iperuniformi. Queste sono sostanze che appaiono disordinate e simili a un liquido a occhio nudo, eppure sopprimono le fluttuazioni su larga scala della densità con la stessa precisione di un cristallo perfetto. Questa duplice natura unica conferisce loro proprietà esotiche, come la capacità di controllare la luce o il suono in modi in cui i materiali ordinari non possono, ma crearli ha solitamente richiesto complessi algoritmi computazionali "top-down" che mancano di una base fisica nel modo in cui la materia reale si comporta.

Un team di fisici ha ora colmato questo divario dimostrando come l'iperuniformità possa sorgere naturalmente dalle semplici forze meccaniche che le cellule esercitano l'una sull'altra. Utilizzando un modello computazionale che tratta un tessuto come una collezione di poligoni interagenti, i ricercatori hanno esplorato come la tensione nella pelle esterna di una cellula e la sua forma preferita guidino l'intero sistema verso questo ordine nascosto. Hanno scoperto che, regolando solo due manopole meccaniche — la rigidità dello strato esterno della cellula e la forma target della cellula — potevano guidare il tessuto in uno stato in cui le fluttuazioni di densità scompaiono su grandi scale, anche mentre il tessuto rimane disordinato. Sorprendentemente, hanno scoperto che questo ordine non dipende dal fatto che il tessuto sia solido. Il sistema può essere iperuniforme sia che sia rigido come una roccia, sia che sia fluido come l'acqua, provando che la capacità di sopprimere le variazioni di densità su larga scala è una proprietà distinta dalla capacità di mantenere una forma. Questa scoperta suggerisce che i tessuti biologici potrebbero sfruttare naturalmente questo stato per mantenere una copertura uniforme pur rimanendo abbastanza flessibili da rimodellarsi e guarire.

I ricercatori hanno costruito la loro indagine su un modello di un tessuto confluente, dove le cellule si compattano così strettamente che non ci sono spazi tra di esse, formando un foglio continuo. In questo modello, ogni cellula è definita dalla sua area e dal suo perimetro. L'energia del sistema dipende da quanto l'area e il perimetro effettivi di una cellula deviano dai loro valori preferiti. Un parametro, l'elasticità corticale, rappresenta la resistenza dello strato esterno della cellula all'allungamento o alla contrazione del suo perimetro. Un altro parametro, l'indice di forma target, rappresenta il rapporto ideale tra il perimetro e l'area di una cellula, dettando efficacementamente se la cellula preferisce essere rotonda o allungata. Eseguendo migliaia di simulazioni in cui questi parametri venivano variati, il team ha mappato un diagramma di fase che rivela come il tessuto transiti tra diversi stati. Hanno scoperto che quando le cellule sono costrette ad avere aree quasi identiche, il sistema si assesta naturalmente in uno stato iperuniforme, indipendentemente dal fatto che le cellule siano bloccate in posizione o libere di fluire.

Una svolta chiave in questo lavoro è la dimostrazione che l'iperuniformità e la rigidità possono essere regolate indipendentemente. In molti sistemi fisici, l'insorgenza dell'ordine è legata al materiale che diventa solido. Qui, tuttavia, i ricercatori hanno dimostrato che un tessuto può essere iperuniforme su entrambi i lati della transizione solido-fluido. Nello stato fluido, dove le cellule possono scivolare l'una accanto all'altra, il sistema raggiunge l'iperuniformità perché le cellule regolano naturalmente le loro forme per minimizzare l'energia, sopprimendo le fluttuazioni di densità su larga scala. Nello stato solido, dove le cellule sono bloccate in posizione, l'iperuniformità può comunque essere raggiunta, ma solo se la resistenza al cambiamento del perimetro della cellula è mantenuta bassa. Se il perimetro è vincolato troppo rigidamente, il sistema perde il suo carattere iperuniforme e diventa disordinato in un modo che permette grandi fluttuazioni di densità. Ciò significa che il grado di ordine nel tessuto è controllato dalle proprietà meccaniche delle cellule stesse, specificamente dall'equilibrio tra i vincoli di area e l'elasticità del perimetro, piuttosto che dal fatto che il tessuto sia solido o fluido.

Per esplorare ulteriormente i limiti di questo disordine, i ricercatori hanno introdotto un nuovo costrutto teorico chiamato Insieme di Poisson Iperuniforme. Questo è uno stato creato sovrapponendo più modelli iperuniformi indipendenti l'uno sull'altro. Immaginate di prendere diverse disposizioni di cellule, ciascuna perfettamente ordinata in un modo nascosto, e di sovrapporle in modo che i singoli modelli si fondano tra loro. Il risultato è un sistema che mantiene l'ordine a lungo raggio dell'iperuniformità — il che significa che ancora sopprime le fluttuazioni di densità su larga scala — ma a brevi distanze, appare casuale come un gas completamente disordinato. Questo stato è significativo perché rappresenta la forma più disordinata di materia iperuniforme possibile. Si avvicina a uno stato di entropia configurazionale evanescente nel limite di sovrapposizione infinita, stabilendo un limite termodinamico fondamentale inferiore per il contenuto di informazione necessario a sostenere l'ordine iperuniforme. Dimostrando che un tale stato può esistere, i ricercatori hanno stabilito che la natura non ha bisogno di essere altamente complessa per raggiungere questo livello di ordine; può essere raggiunto con una quantità minima di informazione strutturale.

Le implicazioni di queste scoperte si estendono oltre la biologia nella progettazione di nuovi materiali. Poiché i ricercatori hanno dimostrato che il disordine a corto raggio e l'ordine a lungo raggio possono essere controllati separatamente, ciò apre la porta alla creazione di metamateriali con proprietà personalizzate. Ad esempio, si potrebbe progettare un materiale che blocchi la luce di un colore specifico (una banda proibita fotonica) pur rimanendo meccanicamente flessibile, o un composito che risponda allo stress in modo prevedibile. La capacità di regolare l'ampiezza delle fluttuazioni di densità senza perdere l'ordine sottostante significa che gli ingegneri potrebbero creare materiali che siano robusti contro i difetti o che guidino il suono e il calore in direzioni insolite. Lo studio offre anche una nuova prospettiva su come i tessuti biologici possano autoregolarsi. Il fatto che l'iperuniformità possa esistere in tessuti fluidi suggerisce che le cellule potrebbero usare questo stato per mantenere una distribuzione uniforme di risorse o segnali attraverso un tessuto, anche mentre le cellule stesse si muovono e cambiano forma. Questo potrebbe essere un meccanismo per garantire che un tessuto rimanga sano e funzionale, prevenendo il tipo di raggruppamento caotico che può portare alla malattia.

I ricercatori sono stati attenti a notare che i loro risultati derivano da simulazioni al computer di sistemi atermici idealizzati, il che significa che non includono gli effetti della temperatura o del movimento cellulare attivo. Nei tessuti biologici reali, il rumore termico e le forze attive sono sempre presenti, e questi potrebbero alterare il comportamento del sistema. Tuttavia, lo studio fornisce una solida base teorica, dimostrando che i principi meccanici delle interazioni cellulari sono sufficienti a generare l'iperuniformità. Il team suggerisce che esperimenti futuri potrebbero testare queste idee in tessuti reali, forse osservando come il compattamento cellulare cambi quando la divisione cellulare viene interrotta o quando le proprietà meccaniche delle cellule vengono alterate. Propongono anche che i principi dell'Insieme di Poisson Iperuniforme possano essere utilizzati per comprendere come l'informazione sia codificata nei sistemi disordinati, collegando la struttura fisica della materia al concetto astratto di informazione. Collegando la meccanica delle cellule alla fisica statistica dell'ordine nascosto, questo lavoro fornisce un progetto universale per comprendere e progettare materiali complessi, dai tessuti che compongono i nostri corpi ai compositi avanzati del futuro.