Circa dieci anni fa, la sorprendente scoperta della diffusione Fickiana ma non-Gaussiana in materiali soffici e biologici ha incrinato la famosa teoria di Einstein sul moto Browniano. Ad oggi, questo intrigante fenomeno non è ancora stato spiegato, principalmente a causa delle difficoltà sperimentali intrinseche alla natura complessa ed eterogenea dei materiali in questione. Per superare tali difficoltà, un team di ricercatori della Federico II ha utilizzato la luce al posto di materiali complessi al fine di creare un ambiente eterogeneo per la diffusione di particelle microscopiche in acqua [1]. Lo studio, ora pubblicato su Physical Review Letters, nasce da una collaborazione tra il gruppo di Meccanica Statistica dei Materiali Soffici (Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione industriale) ed il Laboratorio di Spettroscopia Laser e Manipolazione Ottica (Dipartimento di Fisica).

In questo esperimento, un fascio laser attraversa uno "Spatial Light Modulator" ai cristalli liquidi, generando così un pattern eterogeneo di luce che viene poi proiettato su un sistema di sferette di vetro micrometriche in acqua. Il pattern di luce produce un campo di forze (forze ottiche) sulle particelle. Lo "Spatial Light Modulator" consente di modificare le caratteristiche del pattern con un controllo digitale ad alta precisione. Per effetto delle forze ottiche e delle collisioni termiche con le molecole di acqua, le sferette esplorano il pattern come se si muovessero su una superficie ruvida (si veda la figura). In questo senso, la luce si comporta come un mezzo immateriale capace di riprodurre la struttura eterogenea tipica di un mezzo soffice, ma in maniera molto più controllata e riproducibile rispetto ai materiali "reali". Il team di ricercatori ha dimostrato che questo set-up sperimentale è in grado di riprodurre la fenomenologia della diffusione Fickiana ma non-Gaussiana su un intervallo senza precedenti di tempi e probabilità degli spostamenti, rivelando nuove caratteristiche di questo fenomeno.

La danza instancabile che le particelle microscopiche sperimentano per effetto delle collisioni termiche con le molecole dell'ambiente circostante ha affascinato gli scienziati fino dalla prima metà dell'800 con la scoperta del moto Browniano (1827), ed è responsabile della diffusione, la forma dominante di trasporto di materia.  Secondo il celebre lavoro di Einstein sul moto Browniano standard, i passi di questa danza disegnano un random walk: questo implica che lo spostamento quadratico medio aumenti linearmente con il tempo (comportamento Fickiano) e la distribuzione degli spostamenti sia una Gaussiana, come confermato da una grande varietà di esperimenti. Moti correlati (formati, ad esempio, da passi "back-and-forward") danno invece origine alla cosiddetta diffusione anomala, che risulta essere non-Fickiana e non-Gaussiana. Alla luce di queste evidenze, i comportamenti Fickiano e Gaussiano nei processi diffusivi sono stati a lungo considerati come due aspetti concomitanti e intimamente connessi.

Solo nel 2009 presso il laboratorio di Steve Granick (University of Illinois at Urbana Champaign), una serie di esperimenti su particelle nanometriche in fluidi complessi ha messo in discussione questo consolidato scenario, rivelando l'esistenza di un nuovo tipo di diffusione, che è contemporaneamente Fickiana e non-Gaussiana, e dunque diversa sia dalla diffusione Browniana standard che da quella anomala [2,3]. In seguito, questo tipo di diffusione è stato osservata in una grande varietà di mezzi eterogenei, prevalentemente materiali soffici.

La strategia sperimentale ora sviluppata presso la Federico II rivela che la diffusione Fickiana ma non-Gaussiana è preceduta da diffusione anomala (sottodiffusione) e che i due regimi sono strettamente connessi [1]. Tale scoperta porta ad interpretare la diffusione Fickiana ma non-Gaussiana come un "effetto memoria": la memoria della diffusione anomala a tempi corti sopravvive più a lungo nella distribuzione degli spostamenti che nello spostamento quadratico medio, causando la temporanea coesistenza dei comprtamenti Fickiano e non-Gaussiano. 

I risultati ottenuti sono frutto di competenze sperimentali e teoriche riconducibili a diversi settori scientifici ed evidenziano l'importanza dell'interdisciplinarietà per lo studio di fenomeni complessi. Il team della Federico II team di ricercatori ritiene che l'approccio sperimentale appena introdotto possa dare adito a nuovi studi che potranno chiarire la natura di questo fenomeno. In particolare, la possibilità di visualizzare un grande numero di traiettorie potrà consentire di svelare le caratteristiche peculiari della danza Browniana sottesa alla contro-intuitiva coesistenza di dinamiche Fickiane ma non-Gaussiane.