Scoperta la legge universale che governa la meccanica dei liquidi a livello atomico

Uno studio – condotto da Università Statale di Milano e Queen Mary University of London e pubblicato sulla rivista PNAS – ha identificato la legge universale che regola la sorprendente (visco)elasticità dei liquidi confinati su scale sub-millimetriche.

"Anche sulla base della nostra esperienza quotidiana – ci spiega Alessio Zaccone, docente di Fisica della materia in Statale e autore dello studio insieme a Kostya Trachenko della Queen Mary University of London – se sottoponiamo un liquido, ad esempio l'acqua, a uno sforzo di taglio infinitesimo, il liquido scorre senza opporre una vera e propria resistenza meccanica. Noi fisici spieghiamo questa proprietà dicendo che il modulo elastico di taglio dei liquidi – il coefficiente di proporzionalità tra lo sforzo di taglio applicato al materiale e la deformazione che ne deriva – è uguale a zero. A parte questa nozione basilare che definisce la proprietà essenziale di un liquido, la nostra comprensione della fisica dei liquidi su scale microscopiche resta ancora oggi molto molto incompleta".

Atomi e molecole in un liquido si trovano in uno stato perenne di disordine e di moto caotico, molto diverso dalla natura ordinata e "stanziale" che atomi e molecole presentano invece nei solidi. Pertanto è estremamente difficile trovare una descrizione matematica delle dinamiche atomiche nei liquidi da cui ricavare una spiegazione quantitativa delle proprietà macroscopiche di un liquido.

Precedenti studi, avviati dal 1990 da Boris Derjaguin, uno dei più importanti fisico-chimici russi del '900, hanno rilevato sperimentalmente che un liquido confinato in un gap di taglia sub-millimetrica tra due superfici esibisce una sorprendente elasticità a basse frequenze/velocità di deformazione, molto più simile a un solido che a un liquido, osservazione accolta comunque con scetticismo dalla comunità scientifica anche dopo studi successivi.

A partire dai primi anni 2000, altri esperimenti condotti da team francesi, fra cui spicca il contributo di Laurence Noirez e del suo team al Centre pour l’Energie Atomique (CEA) di Saclay, con tecniche differenti e usando una varietà di materiali molto diversi tra loro (dalla semplice acqua ai cristalli liquidi fino ai liquidi ionici), hanno pienamente confermato i risultati di Derjaguin. Una spiegazione per questi fenomeni rimasta comunque elusiva, nonostante la consulenza teorica che il premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes ha fornito al team francese.

A partire proprio da questi studi sperimentali, Alessio Zaccone e Kostya Trachenko sono giunti allo sviluppo della teoria che regola la sorprendente (visco)elasticità dei liquidi confinati su scale sub-millimetriche, pubblicata ora su PNAS.

In particolare, questa nuova teoria matematica chiarisce che il confinamento del liquido è in grado di "rimuovere" alcuni moti collettivi di oscillazione degli atomi che sono responsabili della risposta "fluida" di un liquido in condizioni macroscopiche, e che quindi riducono il modulo elastico di taglio fino ad azzerarlo nei liquidi macroscopici. Sotto confinamento, invece, il modulo di taglio a basse frequenze/velocità di deformazione è non-nullo in quanto questi moti atomici sono soppressi.

"Questa nuova teoria, sviluppata con il professor Trachenko – conclude Alessio Zaccone – ci dimostra che il modulo elastico di taglio cresce man mano che la lunghezza del gap tra le due superfici si reduce. In particolare, il modulo elastico cresce con l'inverso del cubo della taglia del gap. Abbiamo scoperto che questa legge è davvero universale e indipendente dalla composizione chimico-molecolare del liquido e risulta valida anche su scale nanometriche".

La scoperta apre a nuove importanti implicazioni per le micro e nanotecnologie, in quanto consente di ottimizzare il design e la performance di apparati microfluidici e nanofluidici che recentemente hanno radicalmente trasformato la ricerca in campo chimico e bio-medico.

Lo studio è stato in parte finanziato da US Army Research Office.