“Che cosa intendiamo con il termine Soft Matter*? Gli Americani preferiscono parlare di “fluidi complessi”. Nome piuttosto bruttino, che tende a scoraggiare gli studenti più giovani. …." (cit. de Gennes Nobel Lecture)Inizia in questo modo la Nobel Lecture di Pierre-Gilles de Gennes, pronunciata a Stoccolma nell’ormai lontano Dicembre 1991. Scienziato polivalente, fu uno dei più grandi fisici del nostro tempo; “paragonato a Newton per la sua capacità di ridurre fenomeni complessi a poche semplici verità” (cit.) sebbene l’appellativo di “profeta della materia soffice” suoni molto meglio. Pensateci, vi siete mai chiesti qual è l’origine di molte delle cose che usiamo quotidianamente? I nostri giocattoli preferiti di cui non possiamo proprio fare a meno? I display? I cellulari? Gli orologi digitali? Ebbene, tutto ciò che viene definito “materia soffice”: polimeri, cristalli liquidi e colloidi, sta alla base di buona parte della tecnologia di oggi e la materia soffice fu l’interesse principale di de Gennes, senza dimenticare di sottolineare il legame a doppio filo esistente con gli altri campi della ricerca come la superconduttività, il ferromagnetismo, l’idrodinamica, la “memoria” (si intende quella "umana") e i bio-adesivi. Per quel che riguarda la superconduttività basti ricordare “The Orsay group on superconductivity”**, formato da quattro scienziati di diversa formazione. Quella di riuscire a tener su gruppi di ricerca formati da studiosi di indirizzi diversi, a prima vista molto distanti l’uno dall’altro fu un’altra delle doti di Pierre-Gilles. Giusto per farsi un’idea, il suo laboratorio al Collège de France consisteva di una quarantina di persone tra fisici sperimentali, teorici, biologi e chimici. Uno spiccato interesse per l’interdisciplinarietà che lo portava ad autodefinirsi scherzosamente “teorico naif”.
La famosa Lecture prosegue con l’indicazione delle due caratteristiche essenziali della soft matter e cioè: la Complessità e la Flessibilità. Concetti esemplificati dal ricordo di uno dei più antichi esperimenti sui polimeri, eseguito ripetutamente e con successo da alcune tribù di Indigeni dell’Amazzonia: essenzialmente, dopo aver raccolto il lattice dalla corteccia dell’Hevea Brasiliensis, volgarmente detto "albero della gomma", gli indios lo ponevano direttamente sui loro piedi, lasciandolo poi asciugare. Dopo poco tempo, ottenevano una vera e propria “calzatura”. Stiamo parlando della gomma, detta caucciù dagli Indigeni, e del primo processo di vulcanizzazione della storia. “Si tratta di una reazione chimica che porta a un cambiamento drastico delle proprietà meccaniche di una sostanza: una proprietà tipica della soft matter”(cit.).
“Alto, camicia azzurra e jeans, sigaro in mano” (cit.), così apparve alla “Conferenza sull’interazione e l’assemblaggio delle biomolecole” organizzata dalla Sissa di Trieste. Una persona gentile e disponibile che predilige “la scienza povera”. Il racconto di un esperimento condotto da Benjamin Franklin, tenuto sempre in occasione della conferenza di Stoccolma e spesso ripetuto nel contesto delle frequenti visite alle scuole francesi, sintetizza alla perfezione la sua visione di una scienza essenzialmente pragmatica, che possa risultare facilmente spendibile nelle applicazioni industriali.“Duecentocinquant’anni fa, durante un viaggio a Londra, Franklin versò una piccola quantità di acido oleico nel lago di Clapham Common, un surfattante naturale che tende a formare un film denso all’interfaccia acqua-aria. Dopodiché calcolò il volume d’olio necessario a coprire tutto il lago e, conoscendone l’estensione, determinò lo spessore della pellicola formatasi sull’acqua: 3 milionesimi di millimetro o meglio, 3 nanometri. Si trattò della prima misura empirica della dimensione delle molecole”; un’idea semplice, geniale ed efficace.
Questi stessi “surfattanti ci permettono di proteggere una superficie d’acqua, generando le bellissime bolle di sapone, che sono la gioia dei nostri bambini”. …Ma , più genericamente, è divertente imparare da queste persone che esiste una qualche sovrapposizione di pensiero tra le intellettuali teorie delle stringhe e le descrizioni dei saponi!” (cit.).
Liquid Crystals phases
Ma non dimentichiamoci dei cristalli liquidi, che costituirono il fulcro di tutta l’attività di ricerca di de Gennes; identificabili nelle fasi intermedie tra solido e liquido, furono riconosciuti e schematizzati nelle loro tipologie fondamentali da Georges Friedel; un altro grosso e imprescindibile contributo fu poi dato da Charles Frank, che costruì la teoria sull’elasticità dei nematici [1]. Gli smettici costituiscono un’altra classe dei cristalli liquidi, caratterizzati, come riconobbe lo stesso Friedel da un insieme di strati (“layers”), equidistanti e deformabili. Il passo successivo fu la scoperta degli smettici ferroelettrici avvenuta grazie ad R. B. Meyer nel 1975. Una particolare disposizione di un certo tipo di molecole chirali, dovrebbe automaticamente portare alla nascita di una nuova fase – la “C* phase” – caratterizzata da un dipolo elettrico totale diverso da zero. “In pochi mesi, i nostri chimici sintetizzarono la molecola giusta, e nacque così il primo liquido ferroelettrico” (cit.).
Ma la Soft Matter non è fatta unicamente di esperimenti, sempre in occasione della Lecture, de Gennes si soffermò su considerazioni più squisitamente teoriche, sottolineando le analogie che spesso avvicinano la Soft Matter ad altri campi.S. F. Edwards [2] dimostrò che le proprietà statistiche dei sistemi disordinati (vetri, gel, polimeri ecc.) possono essere descritte dai diagrammi di Feynman e tramite il metodo degli integrali di cammino. “In presenza di potenziali esterni, entrambi i sistemi sono governati dalla stessa identica equazione di Schroedinger! Questa osservazione è stata la chiave di volta per tutti gli ulteriori sviluppi nella statistica dei polimeri” (cit.).Un’altra importante analogia collega gli smettici A ai superconduttori di secondo tipo (esistono due classi di superconduttori: di primo tipo, che comprendono metalli elementari e di secondo tipo, che comprendono invece leghe metalliche e superconduttori ceramici). Essa fu scoperta contemporaneamente da W. L. McMillan [3] e dal gruppo capitanato da de Gennes. Senza approfondire troppo la questione, vi basti sapere che aggiungendo un soluto chirale in una fase smettica A, otteniamo una fase smettica A* caratterizzata da una texture che in qualche modo ricorda i vortici quantizzati dei superconduttori di II tipo immersi in un campo magnetico.
E siamo arrivati alla fine di questo breve excursus (più in là spero di riuscire ad approfondire alcuni aspetti); giù troverete tutta una serie di link che rimanderanno a testi divulgativi, grosso modo per tutti, o ad articoli e paper un po’ più specifici e complicati, con la speranza di riuscire ad accontentare un po’ tutti.
“Have fun on sea and land Unhappy it is to become famousRiches, honors, false glitters of this worldAll is but soap bubbles” (cit.)
Bibliografia SOFT MATTER Io, il profeta della materia soffice
Per approfondire* Soft Matter su Wikipedia e Soft Matter World **SupraconductivitéVedi anche La matematica è una bolla di sapone
Cristalli liquidi di Claudio Zannoni
Pacman
Nostradamus
Magical Cat Adventure
Snake