La categoria di materiali, nota come Materia Soffice, comprende una grande varietà di prodotti e alimenti di uso comune, come shampoo, dentifricio, schiuma da barba, latte, yogurt, maionese, nonché la maggioranza dei fluidi e dei tessuti biologici. Il tratto distintivo di questi materiali consiste nell'avere proprietà meccaniche intermedie tra lo stato liquido e quello solido. Tale natura ibrida, percepibile anche "al tatto", deriva dal modo in cui le particelle si muovono e si riorganizzano a livello microscopico. Questo processo, noto col nome di rilassamento strutturale, ha una natura complessa, spesso legata alla presenza di dinamiche eterogenee e collettive: a differenza dei liquidi semplici, le particelle di un materiale soffice tendono a muoversi in maniera cooperativa, poiché il movimento di un singolo elemento richiede lo spostamento di un grande numero di elementi vicini, similmente a quanto si verifica nei luoghi affollati. Immaginate di essere al centro di un vagone della metropolitana nell'ora di punta e di dover raggiungere l'uscita: ci riuscirete solo se le persone che vi circondano si sposteranno in maniera coordinata per favorire il vostro passaggio. Caratterizzare il processo di rilassamento della materia soffice è fondamentale per comprenderne il comportamento e modularne le proprietà meccaniche. Solo per riportare un esempio emblematico, è stato recentemente dimostrato che lo studio del rilassamento strutturale nei tessuti di cellule epiteliali consente di evidenziare e razionalizzare condizioni patologiche di vario genere, come l'asma e la propensione dei tessuti cancerosi a produrre metastasi.

Una recente collaborazione tra Università di Napoli Federico II (Unina), CNR e Procter and Gamble (P&G) ha portato allo sviluppo della Differential Variance Analysis (DVA), un metodo innovativo per misurare e visualizzare il processo di rilassamento strutturale nei materiali soffici. Il lavoro pubblicato sulla rivista Scientific Reports (gruppo Nature) è stato realizzato tra Napoli e i laboratori P&G di Cincinnati (Ohio, USA) da Raffaele Pastore (Dottorato a Unina e ora postdoc a CNR-SPIN Napoli), da Giuseppe Pesce (Dip. di Fisica, Unina) e da Marco Caggioni (P&G, Cincinnati) e si inserisce nell'ambito della Scuola dei Fluidi Complessi, una consolidata partnership tra P&G e Unina. Vincenzo Guida (Brussels Innovation Center di P&G) è da sempre in prima linea nella creazione e nello sviluppo di questo ampio programma di collaborazione: "la DVA può portare allo sviluppo di metodi innovativi per studiare l'evoluzione temporale della microstruttura di prodotti di largo consumo, come detergenti e ammorbidenti. Comprendere l'evoluzione della microstruttura nel tempo", spiega l'ingegner Guida, "è una sfida cruciale per la produzione industriale di questi prodotti. I detergenti, ad esempio, sono progettati per avere una lunga durata e conservare inalterate la microstruttura, la reologia, l'estetica e le performance durante tutta la catena logistica. Poter prevedere l'evoluzione microstrutturale in maniera semplice e senza dover ricorrere a test prolungati è quindi un obiettivo primario".

Anche nell'ambito delle scienze di base, lo studio sperimentale del rilassamento e delle dinamiche nei materiali soffici è prevalentemente eseguito in laboratori molto specializzati, causa la complessità delle tecniche fino ad oggi disponibili. Uno dei metodi utilizzati consiste nel seguire la traiettoria di ogni singola particella (single particle tracking), per poi ricostruire in maniera indiretta il rilassamento globale del sistema. Tuttavia, questa tecnica è utilizzabile solo se le particelle sono chiaramente distinguibili al microscopio e, anche in questo caso, può risultare laboriosa e non statisticamente significativa a causa del modesto numero di particelle tracciate. Altri approcci, basati su implementazioni piuttosto sofisticate del Dynamic Light Scattering, forniscono robuste informazioni quantitative, ma non consentono alcuna visualizzazione diretta.

La DVA semplifica queste misure in maniera sostanziale, poiché è direttamente applicabile a video digitali, senza la necessità di tracciare le singole particelle di un campione. Infatti, il nuovo metodo, si basa sulla sottrazione di immagini digitali (differential frame) separate da un intervallo di tempo crescente e sulla varianza della loro intensità. In questo modo, è possibile monitorare quantitativamente il processo di rilassamento ed ottenere, al tempo stesso, una chiara visualizzazione della sua natura eterogenea e collettiva. In virtù di queste caratteristiche, il metodo può essere utilizzato in ogni laboratorio equipaggiato con un semplice microscopio ottico o con qualsiasi altro strumento di acquisizione in grado di fornire video digitali. La semplicità e duttilità di questo metodo risponde alle esigenze di una vasta comunità scientifica, potenzialmente interessata allo studio della dinamica nei materiali soffici, ma finora frenata dalla difficoltà delle tecniche disponibili.

La collaborazione che ha condotto alla DVA evidenzia come, nello studio della Materia Soffice, ricerca di base e industria costituiscano un'unica comunità scientifica, che affronta obiettivi condivisi da diverse discipline, dalla fisica alla biologia. L'avvento di nuove tecnologie per visualizzare il mondo microscopico e analizzare quantità sempre maggiori di dati rendono possibile un approccio creativo alla misura delle proprietà meccaniche dei materiali soffici.

Link articolo: http://www.nature.com/articles/srep43496

Titolo completo: R. Pastore, G. Pesce and M. Caggioni. Differential Variance Analysis: a direct method to quantify and visualize dynamic heterogeneities, Scientific Reports 7, 43496 (2017).