Anisotropies and non equilibrium in soft matter: routes to the self assembly of advanced materials
Progetto
Il progetto di ricerca ANISOFT è uno sforzo congiunto sperimentale, teorico e computazionale nel campo della materia soffice, con lo scopo di individuare e studiare nuovi processi di self-assembly di costituenti elementari per creare materiali dalle proprietà innovative[1]. Il raggiungimento di tale obiettivo avverrà prevalentemente sfruttando percorsi fuori-equilibrio[2] e attraverso l'utilizzo di particelle con anisotropia di forma o di interazione[3].
Strategie di costruzione di materiali bottom-up, basate su una scelta giudiziosa delle macromolecole costituenti, sono fondamentali per le potenziali applicazioni nei campi più disparati, dalla biomedicina alle nanotecnologie, dalla cosmetica all'industria alimentare. Tali strategie imitano spesso quelle usate in Natura[4] per ottenere materiali migliori che aumentino la qualità della vita, il benessere e la salute dell'uomo e dell'ambiente.
Fino ad ora, la ricerca si è concentrata soprattutto su sistemi modello in cui le particelle considerate sono sferiche o interagiscono in maniera isotropa o mediante processi di equilibrio. Tuttavia moltissimi sistemi di interesse tecnologico e industriale presentano delle anisotropie o sono il risultato di processi fuori-equilibrio. Ad esempio, macromolecole non sferiche sono ampiamente utilizzate per la produzione di display ad alta definizione grazie alla loro capacità di organizzarsi in fase liquido cristallina; argille come la bentonite vengono utilizzate per la loro capacità di formare dei gel in svariate applicazioni, che vanno dalle lettiere dei gatti all'estrazione del petrolio; micelle wormlike sono utilizzate correntemente per ottenere detergenti e nell'industria cosmetica, in particolare negli shampoo.
Il motivo dell'apparente scarso interesse della ricerca di base per sistemi anisotropi è da ricercarsi soprattutto nella limitata disponibilità di sistemi modello sintetici di qualità sufficiente per effettuare esperimenti ripetibili ed accurati. Paradossalmente le lacune della sintesi chimica sono state spesso colmate ricorrendo a materiali anisotropi naturali quali fibre (actina, miosina,...), frammenti di acidi nucleici (DNA, RNA,...), virus a bastoncello (virus mosaico, batteriofago fd,...). Grazie al loro ricco comportamento di fase sono stati utilizzati in passato ad esempio per testare modelli teorici sui cristalli liquidi o per lo studio delle loro proprietà reologiche.
E' solo negli ultimi anni, grazie ai progressi della sintesi chimica, che la zoologia di particelle anisotrope sintetiche si è arricchita notevolmente, offrendo una vastissima gamma di mattoncini elementari e consentendo da un lato la progettazione e la costruzione di materiali del futuro[3] quali cristalli fotonici, metamateriali, cementi o prodotti cosmetici ad alta biocompatibilità; dall'altro la realizzazione di sistemi modello per la comprensione di importanti processi, tra cui l'aggregazione di proteine, responsabile di malattie come l'anemia falciforme o la più comune cataratta. Infine sembrano notevoli l