L’attività guida l’autoassemblaggio di inclusioni morbide passive in nematici attivi

Liquidi che non stanno mai fermi

Immaginate un liquido che non si arresta mai del tutto: i suoi componenti interni spingono e tirano continuamente, generando da soli vortici e correnti. Ora immaginate di disperdere in questo mare inquieto piccolissime goccioline morbide e di chiedervi: si dispongono uniformemente, si allineano o si raggruppano? Questo studio esplora proprio questa domanda, rivelando come un fluido disordinato e che consuma energia possa diventare uno strumento per costruire nuovi materiali “intelligenti” che si organizzano e si riconfigurano senza interventi esterni.

Un fluido indaffarato e passeggeri silenziosi

Il lavoro si concentra su un tipo particolare di fluido chiamato nematico attivo. In questi materiali, i costituenti microscopici consumano energia in modo continuo, creando flussi spontanei e turbolenza anche in assenza di sollecitazioni esterne. In questo contesto così vivace gli autori introducono molte goccioline passive e morbide — pensate a minuscole bolle liquide che non si muovono da sole ma vengono trasportate e deformate dal fluido circostante. Tramite simulazioni numeriche dettagliate, variano due parametri principali: quanto è forte l’attività del fluido e quante goccioline sono contenute in un’area data (la frazione di impaccamento). Esplorando questi parametri ottengono una ricca “mappa” di comportamenti che descrive come le goccioline si dispongono.

Da mari calmi a gel e tempeste vorticosi

A attività molto bassa il fluido è quasi calmo. Le goccioline rimangono semplicemente dove sono iniziate, spinte di tanto in tanto da deboli forze elastiche nel liquido. Aumentando il numero di goccioline, queste cominciano a interagire tramite sottili distorsioni nel fluido circostante, formando catene fragili e una rete che si estende nello spazio, reminiscente di un gel morbido. Questo stato gel-like intrappola il fluido attivo in piccole tasche, smorzando i moti su larga scala. Superata una soglia di attività, però, la situazione cambia drasticamente. Il fluido genera getti spontanei e flussi vorticosi che scuotono le goccioline. Si formano temporaneamente piccoli ammassi connessi da “legami” invisibili nell’orientamento interno del liquido, ma gli stessi getti possono anche strappare questi ammassi, dando luogo a uno stato agitato in cui i gruppi si assemblano e si disassemblano continuamente.

Quando il caos fa aderire le goccioline

Spingendo ulteriormente l’attività emerge una sorpresa. Potrebbe sembrarci che flussi sempre più intensi disperdano le goccioline con maggior violenza, ma le simulazioni mostrano il contrario: le goccioline si riorganizzano in un unico ammasso denso, un regime che gli autori chiamano separazione di fase indotta da deformabilità guidata dall’attività, o active-DIPS. Qui la morbidezza delle goccioline è cruciale. I forti flussi nel fluido attivo premono in modo non uniforme sulle goccioline al bordo di un ammasso in crescita, deformandole e creando un gradiente di pressione che di fatto comprime tutte le goccioline verso il centro. All’interno dell’aggregato le goccioline sono schermate dai flussi diretti e possono disporvisi in un reticolo simile ad esagoni. L’ammasso resta compatto e stabile mentre il fluido circostante rimane turbolento e vivace, con vortici minori che gli orbitano attorno.

Regolare il moto e la memoria

Gli autori studiano anche come le goccioline si muovono nel tempo e come il sistema risponde quando l’attività viene cambiata intenzionalmente, come girando una manopola. A bassa attività le goccioline si spostano pochissimo; a maggiore attività diffondono nello spazio, trasportate dai flussi auto-generati. Nello stato attivo-DIPS completamente aggregato, il grande insieme di goccioline si muove più lentamente rispetto alle goccioline singole nel regime turbolento. Monitorando la distanza media percorsa dalle goccioline e quanta energia cinetica è nel fluido rispetto a quella nelle goccioline, i ricercatori mostrano che le transizioni tra stati calmi, gel, aggregazione, turbolenza e active-DIPS dipendono in modo sottile sia dall’attività sia dall’affollamento. Dimostrano inoltre che la tensione superficiale — la tendenza delle goccioline a mantenere una forma liscia e arrotondata — può distruggere gli ammassi se diventa troppo elevata, perché goccioline più rigide non riescono più ad accogliere l’intensa compressione imposta dal fluido attivo.

Commutare le strutture a comando

Un risultato particolarmente interessante emerge cambiando l’attività nel tempo invece di mantenerla fissa. Partendo da uno stato active-DIPS completamente aggregato, i ricercatori riducono gradualmente l’attività a diverse velocità. Se la riduzione è rapida (quench), gli ammassi sopravvivono, tenuti insieme da strutture di difetto nel fluido circostante. Se l’abbassamento è più lento, il grande ammasso si fonde parzialmente, dando uno stato misto con un grande aggregato e goccioline sparse. Per rampa molto lenta la struttura si dissolve completamente e il sistema ritorna a una sospensione disordinata. Questa dipendenza dalla storia — in cui lo stato finale conserva memoria di come l’attività è stata variata — suggerisce un modo per “programmare” materiali che possono essere commutati tra stati più solidi, aggregati o fluidi semplicemente modulando quanta energia viene immessa nel fluido attivo.

Perché è importante per i materiali del futuro

In sostanza, questo lavoro dimostra che un liquido caotico e che consuma energia può essere sfruttato per assemblare goccioline morbide in una varietà di pattern organizzati, dai gel agli ammassi densi, e che la morbidezza delle goccioline è l’ingrediente chiave che stabilizza queste strutture a elevata attività. Capire come attività, tensione superficiale e impaccamento interagiscono fornisce agli scienziati un progetto per progettare materiali morbidi adattivi: emulsioni che possono cambiare consistenza, fissare strutture o rilasciarle a comando. Sistemi di questo tipo potrebbero un giorno sostenere filtri programmabili, piattaforme per il rilascio di farmaci o dispositivi bio-ispirati in cui la struttura non è fissa, ma plasmata attivamente dai flussi interni.

Citazione: Sariyar, Y., Akduman, A.U., Negro, G. et al. Activity drives self-assembly of passive soft inclusions in active nematics. Nat Commun 17, 3289 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69704-6

Parole chiave: nematici attivi, autoassemblaggio, goccioline morbide, turbulenza attiva, materiali intelligenti