L'aggregazione fa la forza

Mentre su scale atomiche e molecolari le particelle interagiscono secondo le leggi immutabili della meccanica quantistica, a livello nano o microscopico le loro interazioni possono essere manipolate dall'uomo in diversi altri modi. In una sospensione colloidale, ovvero una soluzione formata da solvente e particelle di diametro compreso tra un nanometro e un micron, il metodo maggiormente usato è quello di disperdere i colloidi con additivi macromolecolari, aggiungendo cioè in soluzione polimeri, tensioattivi o nanoparticelle di dimensioni molto minori delle particelle colloidali. È in queste condizioni che tra i colloidi si crea una forza puramente entropica di 'depletion’ (svuotamento), predetta esattamente 60 anni fa dai fisici giapponesi Shu Asakura e Fumio Oosawa, che permette di controllare l’intensità e la distanza delle interazioni.

La possibilità di manipolare e controllare tali sistemi - di cui sono esempi emulsioni come panna e yogurt, sospensioni come creme e dentifrici, e ancora spray, schiume e gel - è oggi di grande interesse soprattutto per l’industria cosmetica, farmaceutica e alimentare, che sfruttano le proprietà peculiari della materia soffice.

Uno studio di Nicoletta Gnan ed Emanuela Zaccarelli dell'Istituto dei sistemi complessi (Isc) del Cnr di Roma spiega ora come sia possibile superare il limite della forza di 'depletion’ generando un nuovo tipo di forza entropica su scale molto più grandi. La ricerca, pubblicata su 'Nature Communications’, è stata condotta in collaborazione con Francesco Sciortino dell’Università 'La Sapienza’ di Roma.

Lo studio sfrutta le proprietà di aggregazione degli additivi in soluzione: “È noto che determinate sostanze, attraverso l’auto-aggregazione (self-assembly), passano facilmente da uno stato disperso a uno stato connesso formando così aggregati macromolecolari di differenti taglie e dalle proprietà universali”, spiega Zaccarelli. “Nel nostro studio abbiamo dimostrato, attraverso calcoli teorici e simulazioni numeriche, che l’aggiunta in soluzione di queste sostanze permette di generare una forza tra i colloidi con un raggio d'azione molto maggiore della taglia del singolo additivo, superando dunque di gran lunga la semplice depletion”.

Ma come si forma questa forza? Aggiunge Nicoletta Gnan che: “Nel caso più semplice in cui due soli colloidi sono immersi in un mare di aggregati si ha che, a seconda della taglia degli aggregati, essi potranno trovarsi o meno nella regione di spazio che separa i due colloidi. Ci sarà dunque, in media, un eccesso di aggregati all’esterno che 'spingono’ i due colloidi più vicini tra loro. La distanza su cui si sente questa forza è quindi legata proprio alla taglia degli aggregati”.

La ricerca si inserisce nel progetto 'Anisoft’, finanziato dal ministero dell’Istruzione, università e ricerca attraverso il bando 'Futuro in ricerca 2012’, di cui Emanuela Zaccarelli è coordinatrice nazionale. Ora si attende un riscontro sperimentale delle predizioni, che potrebbe aprire la via allo sfruttamento sistematico di queste forze per il controllo della stabilità e delle fasi delle sospensioni colloidali, con importanti ricadute applicative.

Fonte: Nicoletta Gnan, Istituto dei sistemi complessi del Cnr , email nicoletta.gnan@roma1.infn.it - Emanuela Zaccarelli, Istituto dei sistemi complessi del Cnr, tel. 06/49913524 , email emanuela.zaccarelli@cnr.it -

Per saperne di più: ‘Casimir-like forces at the percolation transition’, N. Gnan, E. Zaccarelli e F. Sciortino, Nature Communications 5, 3267, doi:10.1038/ncomms4267