Cristalli liquidi e difetti topologici: il segno del disordine

I cristalli liquidi sono una mesofase della materia, perché sono collocati tra lo stato solido e quello liquido. Scoperti verso la fine del XIX secolo e compresi realmente solo nel Novecento, sono oggi diffusi in molte applicazioni quotidiane, come gli schermi dei telefoni. Una loro caratteristica è la forma allungata delle molecole che li compongono. Per comprendere meglio di cosa si tratta abbiamo parlato con Adriano Tiribocchi dell’Istituto per le applicazioni del calcolo (Iac) del Cnr, che spiega: “Se le molecole fossero sferiche, la transizione da liquido a solido avverrebbe senza stati intermedi. Invece, in condizioni appropriate, queste molecole mantengono libertà di movimento, ma si orientano mediamente nella stessa direzione, dando luogo a una fase di cristallo liquido chiamata nematico, termine che deriva dal greco ‘nema’, che significa filo, perché al microscopio le molecole appaiono come fili allineati. È la fase più comune dei cristalli liquidi e quella più utilizzata  nelle applicazioni tecnologiche. A seconda dell’ordine di orientamento e di posizione delle molecole, possono esistere anche altre fasi liquido-cristalline”.

I cristalli liquidi possono essere attivi o passivi, in base al modo in cui vengono guidati fuori dall’equilibrio; ma come reagiscono in presenza di forze ? Nei sistemi passivi, l’equilibrio viene perturbato tipicamente da forze esterne applicate dall’ambiente ; nei sistemi attivi, invece, sono i costituenti stessi a iniettare energia nel sistema. Quando la loro concentrazione è sufficientemente elevata, emergono comportamenti collettivi e flussi spontane. In questo caso non si parla più di molecole, ma di strutture biologiche, come filamenti di actina e miosina, o batteri: “Questo comportamento è tipico di molte strutture biologiche. Filamenti di actina combinati con miosina, una proteina motoria che trasforma energia chimica in movimento, si comportano come cristalli liquidi attivi quando raggiungono concentrazioni elevate”, chiarisce il ricercatore del Cnr-Iac. “Anche i batteri possono mostrare un comportamento simile: la loro forma allungata e la capacità di muoversi grazie ai flagelli  generano un ordinamento analogo a quello osservato nei cristalli liquidi attivi”.

In questo contesto, si parla di emulsioni doppie attive. “Si tratta di un sistema costituito da una goccia esterna, con al suo interno un’ulteriore goccia e il cristallo liquido attivo. Tali emulsioni rappresentano una sorta di modellizzazione meccanica della cellula, dove si ha un’analogia con la struttura di membrana, nucleo e citoscheletro”, aggiunge l’esperto.

All’interno di questi sistemi possono comparire i già citati difetti topologici, zone in cui l’orientamento delle molecole non può essere definito in modo continuo. Per visualizzare l’idea, si può pensare alle impronte digitali: a prima vista le linee scorrono in modo regolare, ma in alcuni punti si interrompono, si dividono o formano piccoli vortici. I punti dove il disegno smette di essere perfettamente ordinato, sono difetti topologici. Un’altra analogia molto intuitiva è la "rosa" sulla testa, il punto da cui i capelli sembrano ruotare formando un piccolo vortice: anche lì l’orientamento non può essere definito in modo uniforme e nasce un difetto. “Anche nel caso dei cristalli liquidi, questi difetti sono regioni in cui il parametro d’ordine non può essere definito in modo continuo. In due dimensioni, tali difetti sono dei punti, in tre dimensioni diventano anche linee o anelli. La loro presenza non è solo una curiosità matematica: i difetti sono sorgenti di campi di velocità e influenzano il modo in cui le gocce si deformano, ruotano e si muovono”, continua Tiribocchi.

Sul piano teorico le emulsioni doppie attive diventano un laboratorio ideale per comprendere come geometria, confinamento e attività interna interagiscano nel generare comportamenti collettivi complessi. Le possibili applicazioni non mancano. “In biofisica, questi sistemi aiutano a riprodurre e studiare processi cellulari in condizioni controllate. In ambito biomedico invece, il concetto di emulsione doppia è promettente per il drug delivery, poiché consentirebbe di incapsulare principi attivi e rilasciarli in modo più selettivo rispetto alle emulsioni tradizionali. Una struttura a doppia goccia permette infatti una maggiore protezione del contenuto e un rilascio più regolato, caratteristiche fondamentali per veicolare farmaci verso tessuti specifici riducendo gli effetti collaterali”, conclude il ricercatore.

Come per tutte le strade innovative ed emergenti, il lavoro e le sfide da affrontare sono molte, ma ogni nuovo passo lascia un’impronta che aiuta a far avanzare la nostra comprensione della materia attiva e delle sue straordinarie potenzialità.

Fonte: Adriano Tiribocchi, Istituto per le applicazioni del calcolo, adriano.tiribocchi@cnr.it