Quando la materia soffice inizia a scorrere, la diffusione delle particelle prende una piega inattesa

I materiali soffici, come sospensioni colloidali, emulsioni, schiume e gel, mostrano spesso comportamenti complessi e insoliti rispetto ai solidi o ai liquidi ordinari. Dal punto di vista meccanico, per esempio, possono resistere alla deformazione come solidi, ma anche iniziare a scorrere come liquidi quando viene applicata una sollecitazione esterna sufficientemente intensa. Questa transizione da comportamento solido a comportamento liquido, nota come yielding, è centrale nella fisica dei materiali soffici amorfi e in molti processi di interesse industriale e biologico. Alcuni di questi sistemi sono anche atermici: sono formati da particelle abbastanza grandi da non risentire del moto termico. Il loro moto microscopico è quindi governato principalmente dalla sollecitazione meccanica esterna e dalle interazioni con le particelle vicine, rendendo il loro comportamento ancora più ricco e intrigante.

Un nuovo studio pubblicato su Communications Physics, rivista del Nature Portfolio, stabilisce una connessione tra yielding meccanico nella materia soffice atermica e una forma peculiare di dinamica microscopica, nota come Fickian yet non-Gaussian Diffusion (FnGD). Questo fenomeno è stato osservato per la prima volta nel 2009 ed è stato poi identificato in diversi sistemi molecolari, oltre che in materiali soffici termici e attivi, soprattutto quando le particelle si muovono in ambienti eterogenei. Lo studio è stato realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale della Federico II, nell’ambito del progetto PRIN 2022 “Fickian non-Gaussian diffusion in static and dynamic environments”, guidato dal Principal Investigator Raffaele Pastore. Il team include anche Palak Patel, alla Federico II come ricercatrice postdoc dopo un dottorato presso l’Università di Pune, in India, insieme a Francesco Rusciano e Francesco Greco. Attraverso simulazioni numeriche, il gruppo ha mostrato che la FnGD può emergere anche in sistemi jammed atermici, come emulsioni compresse, sospensioni granulari dense e schiume, quando il moto delle particelle è indotto da un flusso di taglio. I risultati collegano questo regime insolito di trasporto microscopico all’insorgere del yielding reologico nei solidi soffici jammed.

Dal moto microscopico alla risposta meccanica. Negli ultimi anni, la FnGD ha attirato grande attenzione perché mette in discussione il quadro standard della diffusione microscopica, con la sua distinzione dicotomica tra moto browniano e diffusione anomala. Finora, tuttavia, questa forma ibrida di diffusione era stata interpretata soprattutto come una proprietà della dinamica di singola particella, apparentemente confinata al mondo microscopico. Era molto meno chiaro se potesse essere collegata anche alla risposta del materiale su larga scala.

Dunque, una domanda centrale è se la FnGD sia soltanto un dettaglio microscopico della dinamica delle particelle, o se possa avere un impatto sul comportamento macroscopico del materiale. La materia soffice jammed, che combina una ricca risposta meccanica a livello macroscopico con una dinamica eterogenea a livello microscopico, offre un contesto ideale per affrontare questa domanda. Lo studio mostra che, in questi materiali, la FnGD non è solo una caratteristica microscopica della dinamica delle particelle, ma è strettamente connessa alla risposta meccanica in prossimità del yielding.

Un risultato chiave dello studio è che le scale temporali microscopiche che caratterizzano la FnGD sono strettamente connesse alla reologia macroscopica del materiale. Nei materiali soffici  jammed prossimi al yielding si osserva un apparente disaccoppiamento tra shear rate e shear stress: lo shear stress tende a saturare verso un valore di plateau, il cosiddetto yield stress, diventando quasi indipendente dallo shear rate. Gli autori hanno mostrato che un analogo disaccoppiamento emerge anche nella dinamica microscopica: il tempo caratteristico che segna l’ingresso nel regime Fickiano tende a saturare, in analogia con lo shear stress, mentre il tempo necessario a recuperare una distribuzione Gaussiana degli spostamenti continua a crescere come l’inverso dello shear rate. Questa separazione tra scale temporali dà luogo alla FnGD e suggerisce che essa possa essere considerata una controparte microscopica del yielding meccanico.

Riferimento bibliografico
Palak Patel, Francesco Rusciano, Francesco Greco and Raffaele Pastore, "Shear-induced Fickian yet non-Gaussian diffusion in athermal jammed matter", Communications Physics 9, 284 (2026).

Link articolo: https://doi.org/10.1038/s42005-026-02817-y