Training and memory in a randomly driven fractal gel
Utilizzando la spettroscopia di correlazione di fotoni a raggi X, questo studio dimostra che un gel di nanoparticelle frattali può essere addestrato per esibire reversibilità microstrutturale e memoria di una sollecitazione di taglio casuale, sebbene più lentamente e irregolarmente rispetto alla sollecitazione ciclica deterministica, inducendo una ridistribuzione dello stress interno e diminuendo gli spostamenti di deformazione irreversibili.
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I materiali che appaiono solidi ma sono in realtà disordinati all'interno, come un pezzo di carta accartocciato o un barattolo di sabbia densamente compattata, spesso si comportano in modi che sembrano sfidare la semplice logica. Quando si schiacciano o si stirano questi materiali disordinati, le loro minuscole parti interne si spostano e si riorganizzano. Di solito, gli scienziati si aspettano che questa riorganizzazione sia caotica e permanente, lasciando il materiale in uno stato nuovo e confuso dopo ogni spinta. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto recentemente che alcuni di questi materiali disordinati possono "imparare". Se vengono spinti avanti e indietro con un ritmo e una forza specifici, possono addestrarsi da soli per tornare alla forma originale ogni volta che si interrompe l'azione, ricordando efficacementmente l'esatta forza utilizzata. Questo fenomeno, noto come addestramento, è stato osservato in sistemi come granelli compattati e fogli accartocciati, ma non era chiaro se potesse accadere in sostanze morbide e gelatinose chiamate gel, o se potesse verificarsi quando la forza di spinta è casuale e imprevedibile invece che un ritmo costante e ripetitivo.
Un team di fisici si è posto l'obiettivo di rispondere a queste domande studiando un gel frattale, una sostanza composta da minuscole particelle di silice mescolate in olio minerale per formare una delicata rete simile a una spugna. Per osservare cosa accadeva all'interno di questo mondo invisibile, hanno utilizzato una potente tecnica chiamata spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X. Immaginate di proiettare un fascio molto concentrato di raggi X attraverso il gel e di osservare come la luce si diffonde a causa del movimento delle particelle. Analizzando i modelli di questa luce diffusa, i ricercatori potevano vedere l'esatta disposizione delle particelle e tracciare come si muovevano quando il gel veniva schiacciato. Hanno posizionato il gel tra due piastre e utilizzato una macchina precisa per far scorrere la piastra inferiore avanti e indietro, applicando una deformazione per taglio (shear strain), ovvero un tipo di forza che cerca di far scorrere gli strati del materiale l'uno rispetto all'altro.
I ricercatori hanno eseguito due diversi tipi di esperimenti per vedere come avrebbe reagito il gel. Nel primo, hanno applicato una spinta e un tiro prevedibili e ritmici, stirando il gel fino a un limite specifico e poi riportandolo a zero, ripetutamente. Nel secondo, hanno utilizzato un approccio casuale, facendo muovere il gel in un modello caotico che oscillava su e giù senza però superare gli stessi limiti massimi del primo esperimento. Hanno scoperto che entrambi i metodi funzionavano. Che il gel venisse spinto con un ritmo costante o con un cammino casuale, la sua struttura interna finiva per imparare a diventare reversibile. Ciò significa che, dopo un certo numero di cicli, le particelle tornavano esattamente nelle stesse posizioni in cui erano partite alla fine di ogni stiramento, anche se il percorso seguito per arrivarci poteva essere diverso. Il gel si era effettivamente addestrato a ricordare i confini della forza applicata.
Tuttavia, il modo in cui il gel imparava dipendeva da come veniva spinto. Quando la forza era costante e ritmica, l'addestramento avveniva in modo rapido e fluido. Il gel diventava reversibile ciclo dopo ciclo, migliorando la capacità di tornare al punto di partenza a ogni ripetizione. Quando la forza era casuale, il processo era molto più lento ed erratico. La capacità del gel di tornare al suo stato originale migliorava, poi a volte diminuiva, prima di migliorare di nuovo, ma la tendenza generale era comunque verso una maggiore reversibilità. Questo dimostrava che, sebbene l'imprevedibilità rendesse il processo di apprendimento più disordinato, non impediva al gel di imparare. I ricercatori hanno anche misurato quanto lontano si muovevano le particelle in modo irreversibile durante questi cicli. Hanno scoperto che, man mano che il gel si addestrava, la distanza percorsa dalle particelle in modo permanente diminuiva, diventando infine così piccola che il materiale sembrava rimbalzare perfettamente.
Per dimostrare che il gel stesse realmente ricordando la specifica intensità della forza utilizzata durante l'addestramento, il team ha utilizzato un test di "lettura". Hanno preso dei gel che erano stati addestrati con diverse quantità di forza e li hanno sottoposti a una nuova serie di stiramenti che aumentavano gradualmente di intensità. Per i gel che non erano stati addestrati, la correlazione tra le posizioni iniziale e finale scendeva immediatamente non appena la forza diventava sufficientemente forte da muovere le particelle. Ma per i gel addestrati, è accaduto qualcosa di interessante. Finché la nuova forza rimaneva al di sotto del livello su cui il gel era stato addestrato, il gel rimaneva straordinariamente stabile e reversibile. Nel momento in cui la forza raggiungeva l'esatto limite del loro addestramento, la stabilità crollava e la correlazione diminuiva bruscamente. Questo calo netto agiva come una firma, confermando che il gel aveva memorizzato l'ampiezza specifica della deformazione subita.
Lo studio ha rivelato che questo effetto di memoria non è limitato a una spinta ordinata e ritmica, ma può anche essere indotto da forze casuali e caotiche, purché tali forze rimangano entro certi confini. Sebbene la struttura interna del gel non mostrasse segni evidenti di cambiamenti nella sua rete complessiva o della formazione di nuovi collegamenti, il modo in cui rispondeva allo stress suggeriva che le particelle si stavano riorganizzando localmente per accomodare la forza. I ricercatori hanno osservato che, per forze molto piccole, il gel era già elastico e reversibile, non mostrando alcun bisogno di addestramento. Ma una volta che la forza raggiungeva una certa soglia, l'addestramento diventava necessario per ripristinare la reversibilità. Ciò suggerisce che la capacità di memoria del gel è un processo dinamico che emerge solo quando il materiale viene spinto con forza sufficiente da causare spostamenti interni, ma non così tanto da rompersi completamente. Le scoperte aprono nuove domande su come i materiali disordinati conservino informazioni sulla loro storia meccanica, suggerendo che anche i sistemi più caotici possano possedere una capacità nascosta di imparare e adattarsi.
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