Le mille sfaccettature dei gel

Dallo yogurt fino ad alcuni shampoo e dentifrici: si tratta di particolari materiali soffici noti come gel colloidali che sfidano la nozione comune di solido o liquido. A seconda di come vengono manipolati, infatti, questi materiali possono fluire come un liquido o mantenere la loro forma come un solido. Per la scienza si tratta di materiali che, seppur onnipresenti nel quotidiano di ciascuno di noi, riservano ancora dei segreti da svelare.
Microstruttura, dinamica e proprietà meccaniche dei gel colloidali sono stati l’oggetto di uno studio da poco pubblicato sulla rivista Physical Review Letters condotto in collaborazione tra i ricercatori Jae Hyung Cho e Irmgard Bischofberger del MIT di Boston e Roberto Cerbino, docente del dipartimento di Biotecnologie mediche e Medicina traslazionale dell'Università Statale di Milano.

I ricercatori hanno utilizzato una particolare tecnica di microscopia quantitativa denominata Differential Dynamic Microscopy (DDM) inventata dal professor Cerbino con cui è stata indagata al microscopio la formazione dei gel a seguito di un rapido innalzamento della temperatura.
Con un’analisi dagli istanti iniziali, in cui il materiale si comporta come un liquido, fino a quelli finali, in cui diventa a tutti gli effetti una gelatina spessa e uniforme, i ricercatori hanno scoperto che questo materiale si comporta in modo molto diverso a seconda della scala spaziale alla quale è osservato. Di fatto, l’insieme delle misure effettuate rappresenta il primo studio sperimentale completo del comportamento dinamico di questi materiali, dalla scala microscopica a quella macroscopica.

I ricercatori hanno così potuto “seguire” la crescita di strutture frattali in cui le singole particelle si attaccavano l'una all'altra in reti e strutture sempre più grandi. Un frattale è un oggetto auto-simile ovvero una forma geometrica che può essere suddivisa in parti, ognuna delle quali è una copia ridotta dell'insieme di partenza. Ingrandendo una qualunque parte di un oggetto frattale non si è in grado di dire a che scala si stia osservando l’oggetto. Sebbene la natura frattale di questo tipo di gel sia stata già osservata in precedenza, in questo studio è stato possibile per la prima volta coprire un intervallo di lunghezze estremamente ampio, evidenziando tre comportamenti dinamici distinti a seconda della scala spaziale alla quale si osserva il sistema.

Alla scala microscopica (su scale più piccole della barra rossa in figura, la cui lunghezza è pari a circa 3 micron), la dinamica del gel è dominata dalle vibrazioni interne degli aggregati frattali di particelle. Per scale intermedie si ha una dinamica legata a fluttuazioni di densità sulla scala di lunghezza degli aggregati, mentre per scale grandi (più grandi della barra blu in figura, la cui lunghezza è pari a circa 100 micron) si osserva un comportamento tipico di un materiale viscoelastico omogeneo, molto simile a quello che si otterrebbe in cucina mescolando acqua e amido di mais.

"È stato davvero sorprendente vedere come per questo sistema modello messo a punto dai colleghi del MIT, si potesse utilizzare la tecnica DDM estraendo in un colpo solo una quantità di informazioni sul sistema a diverse scale spaziali", commenta Cerbino. "Ora che sappiamo qualcosa in più sulla struttura e i sui meccanismi di formazione di questi gel saremo anche in grado di controllarne meglio le proprietà finali".