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

Bicchiere con legami tra atomi/molecole

Uno studio pubblicato sulla rivista PNAS da Alessio Zaccone del nostro Dipartimento insieme al collega Kostya Trachenko, della Queen Mary University of London, identifica la legge universale che regola la sorprendente elasticità dei liquidi confinati su scale sub-millimetriche.

Come e’ noto, anche sulla base della nostra esperienza quotidiana, sottoponendo un liquido, ad esempio l’acqua, ad uno sforzo di taglio infinitesimo, il liquido scorre senza opporre una vera e propria resistenza meccanica. Questa proprieta’ nota a tutti, viene espressa in fisica dicendo che il modulo elastico di taglio dei  liquidi e’ uguale a zero, laddove il modulo elastico di taglio rappresenta il coefficiente di proporzionalita’ tra lo sforzo di taglio applicato al materiale e la deformazione che ne scaturisce.

A parte questa nozione basilare che definisce la proprieta’ essenziale di un liquido, la nostra comprensione della fisica dei liquidi e’ molto incompleta. Cio’ si deve al fatto che 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 e’ estremamente difficile trovare una descrizione matematica delle dinamiche atomiche nei liquidi da cui ricavare una spiegazione quantitativa delle proprieta’ macroscopiche di un liquido.

In conseguenza di cio’, finora e’ stato impossibile razionalizzare alcuni sorprendenti fenomeni circa la meccanica dei liquidi su scale microscopiche. Ad esempio, gia’ dal 1990 e’ stato rilevato sperimentalmente che un liquido confinato in un gap di taglia sub-millimetrica tra due superfici esibisce una sorprendente elasticita’ a basse frequenze/velocita’ di deformazione, molto piu’ simile ad un solido che a un liquido. Nonostante questi primi esperimenti fossero stati condotti da Boris Derjaguin, uno dei piu’ imortanti fisico-chimici russi del ‘900, l’osservazione fu accolta con scetticismo dalla comunita’ scientifica per via della radicata nozione secondo cui il modulo di taglio di un liquido deve essere per forza zero. 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 diverse e usando una varieta’ 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 e’ rimasta pero’ elusiva (nonostante la consulenza teorica che il premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes ha fornito al team francese).

Studiando questi dati sperimentali, Zaccone e Trachenko hanno sviluppato una teoria a livello atomico della (visco)elasticita’ dei liquidi che fornisce una spiegazione teorica a questi sorprendenti fenomeni. In particolare, la nuova teoria matematica chiarisce che il confinamento del liquido e’ in grado di “rimuovere” alcuni modi 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/velocita’ di deformazione e’ non-nullo in quanto questi moti atomici sono soppressi, e la teoria di Zaccone e Trachenko fornisce la legge universale con cui il modulo elastico di taglio cresce man mano che la lunghezza del gap tra le due superfici si reduce. Ovvero, il modulo elastico cresce con l’inverso del cubo della taglia del gap. Si e’ trovato che questa legge e’ davvero universale e indipendente dalla composizione chimico-molecolare del liquido. Inoltre risulta che la legge sia valida anche su scale nanometriche.
Questa scoperta puo’ avere 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 e’ stato  in parte finanziato da US Army Research Office.

Ulteriori informazioni si possono trovare sull'articolo Open Access (https://www.pnas.org/content/early/2020/07/29/2010787117) e sul comunicato stampa di Ateneo (http://lastatalenews.unimi.it/scoperta-legge-universale-governa-meccanica-liquidi-livello-atomico).

04 agosto 2020
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