La nuova forza che amplifica le proprietà dell'acqua

Un nuovo fenomeno che genera una forza che è in grado di condizionare la distribuzione di particelle immerse in fluidi stratificati è stato scoperto e analizzato da un gruppo di ricercatori dell'Università della North Carolina University di Chapell Hill e della Brown University. Il fenomeno è stato descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications. La scoperta offre un'alternativa alle ipotesi precedentemente sostenute su come le particelle si accumulano nei laghi e negli oceani e potrebbe portare ad applicazioni nella localizzazione di hotspot biologici, nella pulizia dell'ambiente e persino nello smistamento e nell'imballaggio.

Il team guidato dai professori Richard McLaughlin e Roberto Camassa del Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics presso il College of Arts & Sciences, insieme al loro studente laureato UNC-Chapel Hill Robert Hunt e Dan Harris della School of Engineering della Brown University ha dimostrato che le particelle sospese in fluidi di diverse densità, come l'acqua di mare con diversi strati di salinità, mostrano due comportamenti precedentemente sconosciuti.

Innanzitutto, le particelle si autoassemblano senza attrazione elettrostatica o magnetica o, nel caso di microrganismi, senza dispositivi di propulsione come flagelli o ciglia. In secondo luogo, si raggruppano senza bisogno di adesivo o altre forze di legame. Più grande è il cluster, più forte è la forza attrattiva. La scoperta di questo fenomeno è stata accidentale, un paio di anni fa, durante una dimostrazione per alcuni ospiti in visita al Laboratorio di fluidi per la matematica applicata e le scienze marine che Camassa e McLaughlin gestiscono.

I due ricercatori volevano colpire l'attenzione dei visitatori mostrando il modo in cui le sfere scaricate in un serbatoio di acqua salata rimbalzano verso il fondo, purché il fluido sia uniformemente stratificato dalla densità. Ma lo studente laureato responsabile dell'esperimento ha commesso un errore nell'impostazione della densità del fluido inferiore. Le sfere rimbalzarono e poi rimasero lì, immerse ma non sprofondando sul fondo. "E poi ho preso quella che è stata una buona decisione", ha detto McLaughlin, "per non ripulire il casino."

Vai a casa, disse allo studente laureato. Ci occuperemo più tardi. La mattina dopo, le palle erano ancora sospese, ma avevano iniziato a raggrupparsi insieme - per autoassemblare senza una ragione apparente. I ricercatori alla fine hanno scoperto il motivo, anche se ci sono voluti più di due anni di studi sperimentali di riferimento e molta matematica. "È quasi come se avessimo scoperto una nuova forza efficace", ha detto Camassa.

La scoperta di questo meccanismo di primo principio precedentemente sconosciuto apre le porte alla comprensione di come la materia si organizza nell'ambiente. In corpi idrici altamente stratificati, come gli estuari e gli oceani profondi, la capacità di comprendere matematicamente il fenomeno può consentire agli scienziati di modellare e prevedere la posizione di hotspot biologici, compresi i terreni di alimentazione per pesci commerciali o specie in via di estinzione. Sfruttare la potenza del fenomeno potrebbe anche portare a modi migliori per individuare le microplastiche oceaniche o persino il petrolio dalle fuoriuscite di petrolio in acque profonde.

Oppure, in una versione di dimensioni industriali dell'esperimento Fluids Lab, il meccanismo potrebbe essere utilizzato per ordinare materiali di diverse densità, ad esempio colori diversi di vetro riciclabile frantumato. "Lavoriamo da anni con sistemi stratificati, in genere osservando come le cose li attraversano", ha affermato McLaughlin. "Questa è una delle cose più emozionanti che ho incontrato nella mia carriera."