Fisica - Libretto per gli studenti 2012-2013 - Dip. Fisica - Sapienza

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Le ricerche in fisica alla Sapienza
La materia soffice
Nell’ambito dello studio della “struttura della materia”, un campo di indagine
importante nel corso del XX secolo e’ stato quello di determinare il comportamento
di un grande numero di componenti elementari (atomi, molecole, …)
a partire dal loro potenziale di interazione.
Pensate come sarebbe interessante, ma anche quante applicazioni avrebbe,
se fosse possibile “inventare” la forma funzionale con cui i mattoni elementari
che costituiscono la materia interagiscono tra loro. Che succederebbe
se, per esempio, le particelle interagissero attraverso un potenziale soffice
puramente repulsivo, se le particelle potessero interpenetrarsi, se il raggio
della interazione attrattiva fosse molto piccolo rispetto alle dimensioni della
particella stessa ? Pensate anche quante possibilita’ si aprirebbero se le strutture
macroscopiche fossero costituite da particelle il cui movimento non e’
controllato dalle equazioni di Newton, ma piuttosto (a causa della presenza
di un mezzo in cui queste sono immerse) dalle equazioni che determinano il
moto Browniano, oppure se la dinamica non fosse controllata dal moto termico,
ma da moto proprio (particelle autopropellenti). Quali nuovi materiali
si potrebbero “disegnare”, e quali comportamenti collettivi risulterebbero da
queste nuove forme di interazione tra i costituenti elementari ?
La materia soffice - quella branca della fisica della materia condensata che
studia il comportamento di sistemi fisici facilmente deformabili se soggetti a
sollecitazioni esterne (termiche, meccaniche, elettriche, …) - tenta di rispondere
proprio a queste domande. Studiare la materia soffice vuol dire studiare
aggregati atomici e/o molecolari di dimensioni nano- e micro-metriche in
un solvente, polimeri, schiume, gel, materiali granulari, e svariati tipi di materiali
biologici. In numerosi casi, le particelle costituenti possono essere
considerate come super-atomi interagenti attraverso potenziali efficaci di cui
predire lo stato di aggregazione mediante tecniche di meccanica statistica.
Rispetto ai sistemi atomici e/o molecolari e’ oggi possibile disegnare nuove
forme di interazione e, di conseguenza, nuove fasi della materia. I materiali
soffici infatti mostrano strutture autoorganizzate su scale mesoscopiche (cioe’
intermedie tra micro e macroscopiche) che originano dal gran numero di
interno gradi di libertà, di interazioni deboli tra gli elementi strutturali, e dal
delicato bilancio termodinamico che vi si instaura.
La ricerca in materia soffice (con le sue forti connessioni con la ricerca in
materia biologica) e’ sviluppata nel Dipartimento di Fisica attraverso una
azione sinergica tra ricercatori teorici, numerici e sperimentali. e si sviluppa
in collaborazione con il centro “Soft” (INFM-CNR).
Immagine di un polimero a stella. Il potenziale
di interazione tra i centri di massa di
questi polimeri e’ ben rappresentato da un
decadimento logaritmico (da cui il nome di
potenziale ultra-soffice).