Importante risultato per la fisica della materia a Ca’ Foscari: due studi sono stati recentemente pubblicati dalla autorevole rivista Physical Review Letters, pubblicata dalla American Physical Society, organizzazione statunitense che da più di un secolo promuove l'avanzamento della fisica, supporta la diffusione delle informazioni e la collaborazione internazionale.
Achille Giacometti, professore di fisica teorica della materia e direttore del centro ECLT di Ca’ Foscari e il ricercatore Andrea Auconi, entrambi del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, sono gli autori che hanno ottenuto il prestigioso riconoscimento ai loro studi.
“Tutti sappiamo che due particelle con la stessa carica si respingono. Ma cosa succede se ce ne sono tantissime?” Achille Giacometti introduce così lo studio Unveiling Crystalline Order from Glassy Behavior of Charged Rods at Very Low Salt Concentrations. “Immaginate di essere in una piazza con tante persone che hanno l’esigenza per ognuno di stare il più distante possibile dagli altri. In questo caso, è plausibile che si raggiunga una configurazione di equilibrio dove ognuno è separato dalla stessa distanza media dagli altri.”
Nel 1934 Eugene Wigner, premio Nobel per la Fisica nel 1963, in base ad un calcolo teorico, predisse l’esistenza di un cristallo solido formato da elettroni che, com’è noto, hanno la stessa carica. E a bassa densità, si dispongono in modo ordinato grazie alle loro forze di repulsione elettrica.
I cristalli di Wigner sono già stati osservati formati da nanoparticelle sferiche cariche, con dimensioni di qualche centinaio di nanometri (colloidi carichi), ma mai con forma non sferica, per esempio cilindrica; particelle allungate, simili a bastoncini, come quelli utilizzati nelle applicazioni tecnologiche (si pensi ai display a cristalli liquidi).
Grazie alla collaborazione tra un team di ricerca francese del CNRS di Bordeaux e un gruppo teorico di Ca’ Foscari, guidato dal prof. Achille Giacometti, si è scoperto che anche le particelle allungate possono formare un cristallo ordinato. Questo avviene quando la densità è bassa e le particelle si respingono fortemente tra loro a causa della loro carica elettrica. In queste condizioni, le particelle si dispongono spontaneamente in una struttura stabile, che nasce da un equilibrio tra le forze elettriche e il movimento naturale delle particelle stesse.
Il gruppo di ricerca è riuscito a verificare sperimentalmente l’esistenza di tale cristallo e a darne una spiegazione fisica basata su sofisticate simulazioni numeriche. “Si tratta di un risultato di notevole importanza in quanto la comunità scientifica pensava a questi come sistemi vetrosi più che a dei cristalli, e non è per niente facile distinguerli”, dice Laura Dal Compare, che ha appena conseguito il suo dottorato a Ca’ Foscari basato in gran parte su questo lavoro. “Con le nostre simulazioni abbiamo ottenuto uno schema generale dei possibili comportamenti all’interno del quale cadevano esattamente i risultati sperimentali ottenuti dai colleghi di Bordeaux”.
“La termodinamica dei processi irreversibili si occupa di sistemi la cui proprietà determinante è la dissipazione, ovvero la necessità di fornire costantemente energia affinché la dinamica di non equilibrio sia mantenuta”, spiega Andrea Auconi, ricercatore al Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, “Un esempio sono le reti metaboliche dove l’energia è data dall’ATP, l’adenosina trifosfato.”
Nei modelli della fisica della materia la dissipazione è tipicamente descritta da correnti di particelle ed energia che formano vortici e cicli ininterrotti. Purtroppo queste correnti non sono sempre osservabili sperimentalmente; come stimare quindi la dissipazione in questi casi?
Lo studio di Auconi Nonequilibrium Relaxation Inequality on Short Timescales pubblicato su Physical Review Letters teorizza un nuovo metodo basato sulla dinamica di rilassamento. “Se perturbiamo leggermente un sistema di non equilibrio e poi ne osserviamo il cosiddetto rilassamento, ovvero la dinamica di ritorno allo stato non perturbato, dalle proprietà di questa dinamica è possibile ricavare alcune informazioni sulle correnti nello stato non perturbato” afferma Andrea Auconi. “Questo metodo potrebbe essere utile quando le fluttuazioni non sono sperimentalmente accessibili”.
Lo studio ha implicazioni potenzialmente ampie, spaziando dalla fisica statistica alla biologia. Le prossime ricerche mireranno ad estendere il metodo a sistemi con dinamiche più complesse e a verificarne l’applicabilità sperimentale.
“Una coincidenza straordinaria quella di vedere pubblicati così ravvicinata tre articoli dei fisici di Ca’ Foscari (il professor Flavio Romano è coautore di un terzo lavoro prossimo all’uscita), in una rivista così prestigiosa. È segno dell’ottima qualità della ricerca e della didattica a Ca’ Foscari nel campo della fisica della materia e dell'ingegneria fisica.” commenta il professor Stefano Bonetti, coordinatore del Corso di Engineering Physics.
A Ca’ Foscari sono attivate la laurea triennale in Ingegneria fisica, che combina la conoscenza della fisica e della matematica a quella dell'informatica e dell'elettronica e la laurea magistrale in Engineering Physics, interamente in lingua inglese, che forma per affrontare le questioni pertinenti alle tecnologie avanzate, e in ambiti come quali biofisica e biomedicina, economia e finanza.
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