Materia attiva

Uno stormo di storni, esempio di comportamento collettivo degli animali.

In fisica statistica per materia attiva si intende un sistema complesso composto da un gran numero di elementi attivi, ciascuno dei quali consuma energia per muoversi o per esercitare forze meccaniche.[1][2] Tali sistemi sono intrinsecamente fuori dall'equilibrio termodinamico. A differenza dei sistemi termodinamici che si rilassano verso l'equilibrio e dei sistemi con condizioni al contorno che impongono flussi costanti, i sistemi di materia attiva rompono la simmetria di inversione temporale perché l'energia viene continuamente dissipata dai singoli costituenti.[3][4][5] La maggior parte degli esempi di materia attiva sono di origine biologica e spaziano su tutte le scale dei viventi, dai batteri e dai biopolimeri auto-organizzanti quali microtubuli e actina (entrambi fanno parte del citoscheletro delle cellule viventi), ai banchi di pesci e agli stormi di uccelli. Inoltre, gran parte del lavoro sperimentale attuale è dedicato a sistemi sintetici come le particelle semoventi artificiali.[6][7] La materia attiva è una concetto relativamente nuovo all'interno del campo della materia soffice: il modello più studiato, il modello di Vicsek, risale al 1995.[8]

La ricerca sulla materia attiva combina tecniche analitiche, simulazioni numeriche ed esperimenti. Gli approcci teorici principali includono l'idrodinamica,[9] la teoria cinetica e la meccanica statistica del non equilibrio. Gli studi numerici coinvolgono principalmente modelli di particelle semoventi,[8][10] modelli basati su agenti come algoritmi di dinamica molecolare o modelli di gas reticolare,[11] così come simulazioni computazionali di equazioni idrodinamiche di fluidi attivi.[9] Gli esperimenti sui sistemi biologici si estendono su un'ampia gamma di scale, inclusi gruppi di persone[12] e animali (ad esempio stormi di uccelli,[13] branchi di mammiferi, banchi di pesci e sciami di insetti[14]), colonie di micronuotatori[15] come batteri, alghe unicellulari o spermatozoi, tessuti cellulari (ad esempio strati di tessuto epiteliale,[16] crescita tumorale ed embriogenesi), componenti del citoscheletro (come reti actina-miosina o filamenti guidati da motori molecolari[17]). Gli esperimenti sui sistemi artificiali includono colloidi semoventi (ad es. particelle a propulsione foretica[18]), materia granulare guidata (ad esempio monostrati fatti vibrare[19]), robot che sciamano e rotatori Quinke.[20]

Note

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  1. ^ Sriram Ramaswamy, The Mechanics and Statistics of Active Matter, in Annual Review of Condensed Matter Physics, vol. 1, n. 1, 10 agosto 2010, pp. 323–345, DOI:10.1146/annurev-conmatphys-070909-104101. URL consultato il 1º novembre 2021.
  2. ^ M. C. Marchetti, J. F. Joanny e S. Ramaswamy, Hydrodynamics of soft active matter, in Reviews of Modern Physics, vol. 85, n. 3, 19 luglio 2013, pp. 1143–1189, DOI:10.1103/RevModPhys.85.1143. URL consultato il 1º novembre 2021.
  3. ^ Ludovic Berthier e Jorge Kurchan, Lectures on non-equilibrium active systems, in arXiv:1906.04039 [cond-mat], 7 giugno 2019. URL consultato il 1º novembre 2021.
  4. ^ Michael E. Cates e Julien Tailleur, Motility-Induced Phase Separation, in Annual Review of Condensed Matter Physics, vol. 6, 2 gennaio 2015, pp. 219–244, DOI:10.1146/annurev-conmatphys-031214-014710, arXiv:1406.3533.
  5. ^ Mark J. Bowick, Nikta Fakhri, M. Cristina Marchetti, Sriram Ramaswamy, Symmetry, Thermodynamics, and Topology in Active Matter, in Physical Review X, vol. 12, n. 1, 11 febbraio 2022, pp. 010501, DOI:10.1103/PhysRevX.12.010501. URL consultato il 17 febbraio 2022.
  6. ^ Antoine Bricard, Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids, in Nature, vol. 503, n. 7474, 6 novembre 2013, pp. 95–98, DOI:10.1038/nature12673, PMID 24201282, arXiv:1311.2017.
  7. ^ I. Theurkauff, Dynamic Clustering in Active Colloidal Suspensions with Chemical Signaling, in Physical Review Letters, vol. 108, n. 26, 26 giugno 2012, DOI:10.1103/PhysRevLett.108.268303, PMID 23005020, arXiv:1202.6264.
  8. ^ a b Tamás Vicsek, András Czirók, Eshel Ben-Jacob, Inon Cohen, Ofer Shochet, Novel Type of Phase Transition in a System of Self-Driven Particles, in Physical Review Letters, vol. 75, n. 6, 7 agosto 1995, pp. 1226–1229, DOI:10.1103/PhysRevLett.75.1226. URL consultato il 1º novembre 2021.
  9. ^ a b (EN) John Toner, Yuhai Tu e Sriram Ramaswamy, Hydrodynamics and phases of flocks, in Annals of Physics, vol. 318, n. 1, 1º luglio 2005, pp. 170–244, DOI:10.1016/j.aop.2005.04.011. URL consultato il 2 novembre 2021.
  10. ^ Chaté, Collective motion of self-propelled particles interacting without cohesion, vol. 77, DOI:10.1103/PhysRevE.77.046113, PMID 18517696, arXiv:0712.2062.
  11. ^ Bussemaker, Mean-Field Analysis of a Dynamical Phase Transition in a Cellular Automaton Model for Collective Motion, vol. 78, DOI:10.1103/physrevlett.78.5018, ISSN 0031-9007 (WC · ACNP), arXiv:physics/9706008.
  12. ^ Gompper, Gerhard, et al., The 2020 motile active matter roadmap., in Journal of Physics: Condensed Matter, 2020, DOI:10.1088/1361-648X/ab6348.
  13. ^ (EN) M. Ballerini, N. Cabibbo, R. Candelier, A. Cavagna, I. Giardina, V. Lecomte, A. Orlandi, G. Parisi, A. Procaccini, M. Viale, and V. Zdravkovic, Interaction ruling animal collective behavior depends on topological rather than metric distance: Evidence from a field study, in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 105, n. 4, 29 gennaio 2008, pp. 1232–1237, DOI:10.1073/pnas.0711437105. URL consultato il 1º novembre 2021.
  14. ^ Buhl, From Disorder to Order in Marching Locusts, vol. 312, DOI:10.1126/science.1125142, ISSN 0036-8075 (WC · ACNP), PMID 16741126.
  15. ^ (EN) Donald L. Koch e Ganesh Subramanian, Collective Hydrodynamics of Swimming Microorganisms: Living Fluids, in Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 43, n. 1, 21 gennaio 2011, pp. 637–659, DOI:10.1146/annurev-fluid-121108-145434. URL consultato il 1º novembre 2021.
  16. ^ (EN) Xavier Trepat, Michael R. Wasserman e Thomas E. Angelini, Physical forces during collective cell migration, in Nature Physics, vol. 5, n. 6, 2009-06, pp. 426–430, DOI:10.1038/nphys1269. URL consultato il 1º novembre 2021.
  17. ^ Keber, Topology and dynamics of active nematic vesicles, vol. 345, DOI:10.1126/science.1254784, ISSN 0036-8075 (WC · ACNP), PMID 25190790, arXiv:1409.1836.
  18. ^ Palacci, Living Crystals of Light-Activated Colloidal Surfers, vol. 339, DOI:10.1126/science.1230020, ISSN 0036-8075 (WC · ACNP), PMID 23371555.
  19. ^ Deseigne, Collective Motion of Vibrated Polar Disks, vol. 105, DOI:10.1103/PhysRevLett.105.098001, PMID 20868196, arXiv:1004.1499.
  20. ^ (EN) Antoine Bricard, Jean-Baptiste Caussin, Nicolas Desreumaux, et al., Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids, in Nature, vol. 503, n. 7474, 2013-11, pp. 95–98, DOI:10.1038/nature12673. URL consultato il 3 novembre 2021.
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