Spontaneous currents determine capillary rise in active matter

Nella tranquilla fisica dei liquidi quotidiani, una semplice regola ha a lungo governato il modo in cui l'acqua sale in un tubo stretto. Quando una cannuccia di vetro viene immersa in un bicchiere d'acqua, il liquido si alza leggermente sopra il livello circostante, sfidando la gravità per una breve distanza. Questo fenomeno, noto come azione capillare, è un delicato equilibrio tra la forza di gravità e la tensione superficiale del liquido, che agisce come una pelle elastica tesa che cerca di minimizzare la propria area. Per secoli, gli scienziati hanno compreso che l'altezza raggiunta da questo liquido dipende solo da quanto è largo il tubo, da quanto è pesante il liquido e da quanto fortemente il liquido aderisce alle pareti del tubo. Questa relazione, un pilastro della meccanica dei fluidi, suggerisce che il comportamento del liquido sia un evento locale, determinato interamente dalle condizioni immediate all'interno del tubo.

Tuttavia, il mondo della "materia attiva" ribalta queste regole familiari. La materia attiva è composta da materiali fatti di piccole unità auto-propulsite — come batteri o micro-robot sintetici — che consumano costantemente energia per muoversi autonomamente. A differenza di una goccia d'acqua passiva che resta ferma a meno che non venga spinta, queste particelle attive sono sempre in movimento, si urtano e nuotano anche quando il sistema appare calmo. Quando i ricercatori hanno iniziato a studiare come questi fluidi attivi interagiscono con le superfici, si sono imbattuti in una contraddizione sconcertante. La teoria suggeriva che la tensione superficiale di tali fluidi attivi dovesse essere negativa, uno stato che teoricamente dovrebbe causare la discesa del liquido anziché la sua risalita. Eppure, esperimenti e modelli informatici hanno mostrato che questi fluidi attivi salivano comunque nei tubi, raggiungendo spesso altezze che sfidavano le previsioni delle vecchie leggi. La domanda rimaneva: quale forza invisibile stava superando la tensione superficiale negativa per spingere il liquido verso l'alto?

Un team di ricercatori della Soochow University in Cina ha ora risolto questo mistero guardando alle correnti nascoste che scorrono all'interno del fluido attivo. Simulando il comportamento di migliaia di particelle auto-propulsite in movimento sotto l'effetto della gravità, hanno scoperto che la risalita del liquido non è guidata solo dalla tensione superficiale, ma da un flusso persistente e auto-organizzato di particelle che agisce come una pompa meccanica. Nelle loro simulazioni, le particelle attive non si limitano a stare nel tubo; esse circolano in schemi complessi, urtando costantemente le pareti e spingendosi l'un l'altra verso l'alto. I ricercatori hanno scoperto che questo attrito interno, generato dal movimento delle particelle stesse, è abbastanza forte da invertire l'effetto della tensione superficiale negativa e sollevare il liquido contro la gravità. Questa scoperta riscrive la legge fondamentale dell'azione capillare per i materiali attivi, sostituendo un semplice equilibrio di forze con un'equazione più complessa che include il momento di queste correnti interne.

L'aspetto più sorprendente di questa nuova comprensione è che l'altezza raggiunta dal liquido non è più determinata esclusivamente dalla larghezza del tubo. Nel mondo dei fluidi passivi, la forma dell'esterno del tubo o la lunghezza del tubo oltre il livello del liquido non fanno alcuna differenza su quanto l'acqua salga. Per i fluidi attivi, invece, l'intera configurazione globale del sistema è importante. I ricercatori hanno dimostrato che la forma della punta del tubo gioca un ruolo critico. Quando hanno simulato un tubo con una punta affilata e appuntita, il liquido è salito fino a una certa altezza. Quando hanno cambiato la punta in una forma liscia e arrotondata, il liquido è salito significativamente di più, anche se la larghezza del tubo e le proprietà del liquido rimanevano esattamente le stesse. Ciò accade perché la punta affilata crea un tipo specifico di disturbo nel flusso delle particelle, generando un vortice che agisce come un cricchetto, iniettando particelle nel tubo. Una punta arrotondata, priva di questa discontinuità geometrica netta, genera un modello di flusso diverso, spesso più forte, che spinge più particelle verso l'alto.

Questa sensibilità alla forma globale si estende oltre la punta. I ricercatori hanno scoperto che anche il numero di tubi in un gruppo cambia il risultato. Quando più tubi sono posizionati vicini tra loro, il livello del liquido in ciascuno di essi scende rispetto a quando un singolo tubo sta da solo. Questo accade perché le correnti circolari che guidano il liquido verso l'alto sono generate non solo all'interno dei tubi, ma anche nello spazio circostante. Man mano che si aggiungono più tubi, lo spazio disponibile per queste correnti esterne si riduce, e le particelle si distribuiscono su più aperture, abbassando la risalita in ogni singolo tubo. Inoltre, la rigidità delle pareti esterne del tubo influenza il risultato. Se la parete esterna è fatta di un materiale più morbido, il liquido la bagna in modo diverso, creando correnti aggiuntive che forzano più particelle nel tubo e aumentano l'altezza della risalita. Persino la lunghezza del tubo è importante, un fattore irrilevante per l'acqua passiva. Nei tubi con punte arrotondate, rendere il tubo più lungo causa effettivamente una risalita più bassa, mentre nei tubi con punte appuntite, un tubo più lungo può portare a una risalita più alta.

I ricercatori sono arrivati a queste conclusioni eseguendo simulazioni informatiche dettagliate di particelle attive in due dimensioni. Hanno modellato le particelle come piccole sfere che si respingono quando si avvicinano troppo e si muovono con una velocità costante in una direzione specifica, cambiando occasionalmente orientamento a causa del rumore casuale. Hanno posizionato queste particelle in un campo gravitazionale e inserito un tubo virtuale nella miscela. Tracciando la posizione e il movimento di ogni particella, sono stati in grado di calcolare le forze in gioco. Hanno confermato che la forza verso l'alto generata dalle correnti di particelle, che hanno definito "attrito" (drag), bilanciava perfettamente la forza verso il basso della gravità e la tensione superficiale negativa. Questo equilibrio ha permesso loro di derivare una nuova versione della classica legge dell'azione capillare, che include esplicitamente il contributo di queste correnti spontanee.

Le scoperte suggeriscono che il comportamento dei fluidi attivi è intrinsecamente non locale, il che significa che ciò che accade in una parte del sistema è profondamente connesso alla forma e alla configurazione dell'intero sistema. Il liquido non reagisce solo alle pareti immediate del tubo; esso risponde ai modelli di flusso globali stabiliti dall'intero contenitore. Ciò sfida l'intuizione costruita in secoli di studio dei liquidi passivi, dove le condizioni locali sono solitamente sufficienti per prevedere il risultato. Lo studio indica che per comprendere appieno l'umidificazione e l'azione capillare nei sistemi attivi, è necessario tenere conto di queste correnti a lungo raggio e auto-organizzate. Sebbene la ricerca sia stata condotta attraverso simulazioni, i principi scoperti offrono un quadro per comprendere i fluidi attivi del mondo reale, come le sospensioni batteriche o i micro-nuotatori sintetici, dove sono noti di esistere correnti simili. Il lavoro evidenzia che, nel regno della materia attiva, il tutto è veramente superiore alla somma delle sue parti, e la forma del contenitore è importante quanto il liquido che contiene.