Ha avuto l'onore della copertina su uno degli ultimi numeri di «Nature» la scoperta compiuta da un'équipe internazionale a forte partecipazione italiana, che porta alla ribalta un tema caro alla fisica pura ma anche all'industria. Si tratta delle proprietà dei granulari: materiali che attirano l'interesse dell'investigazione di base in quanto sistemi di alta complessità, ma rappresentano anche il 90% delle materie prime necessarie al mondo produttivo. Risultato della ricerca: per la prima volta è stato dimostrato che, in un sistema di non-equilibrio, caotico, come quello costituito da piccolissime biglie (di circa un millimetro di diametro ciascuna), parametri come la temperatura e la viscosità obbediscono alle stesse leggi valide per un sistema in equilibrio. Un importante passo avanti nella conoscenza della fisica dei materiali complessi. Prospettive: «Stiamo già progettando nuovi esperimenti per capire sempre meglio questi sistemi. Se ci riusciremo, le imprese potrebbero trarre vantaggi molto consistenti dalla nostra ricerca: migliorare i processi industriali, in particolare il trasporto dei granulari, e abbattere i costi», fa sapere Vittorio Loreto, del Centro Smc-Istituto nazionale di fisica della materia per la meccanica statistica e la complessità, presso l'Università «La Sapienza» di Roma. Loreto è autore dello studio insieme con Gianfranco D'Anna e Patrick Major, del l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne in Svizzera, con Franco Nori, del Center for theoretical physics dell'Università del Michigan, e con Alain Barrat, del l'Université de Paris-Sud. Dalla ghiaia alle polveri. Rientrano nel grande capitolo dei materiali granulari la sabbia, la ghiaia e le polveri che servononell'edilizia, ma anche i grani, i granelli e le polveri necessarie all'industria farmaceutica, chimica e alimentare. «Quando si parla di mezzo granulare - osserva Loreto - s'intende una particella le cui dimensioni possono andare dal granello di polvere (200 micron) fino a un millimetro o addirittura un centimetro. Si parla di granulari perfino per indicare le rocce, le polveri e i sassi che compongono gli anelli di Saturno». L'esperimento. La sfida vincente è nata da passione di studioso e curiosità intellettuale. Da una domanda, in particolare: perché non accertare se è possibile estendere a un sistema granulare qualche concetto tipico della termodinamica? È stato scelto il parametro temperatura. Questo concetto deriva dalla termodinamica e dalla teoria cinetica dei gas ed è ben definito per i sistemi in equilibrio. La sua estensione a sistemi fuori dall'equilibrio - e in particolare a sistemi complessi - è una questione aperta. In un sistema in equilibrio - esempio tipico: un gas - la temperatura riflette l'incessante moto microscopico di tutte le sue particelle. «Si può andare a misurare la velocità delle particelle e, in particolare, le fluttuazioni della velocità. Più grandi sono queste ultime, più alta è la temperatura del gas. Ma, per un sistema granulare, il concetto di temperatura non esisteva, era proprio improponibile», spiega Loreto. E qui prende forma l'esperimento. «Abbiamo ideato e realizzato un dispositivo sperimentale concettualmente simile a quello che nel 1927 servì per provare l'esistenza del moto browniano. Il botanico e naturalista scozzese Robert Brown (1773-1858) aveva osservato, per la prima volta, il moto ininterrotto e disordinato di granellini di polline sospesi nell'acqua». Perché queste particelle si muovevano? Risposta: perché ognuna di esse subiva, da ogni lato, gli urti microscopici delle molecole dell'acqua. Uno strano termometro. L'originale termometro ideato dai ricercatori è costituito da un «pendolo di torsione» immerso in un mare di piccolissime biglie, mantenute in un moto ininterrotto perché agitate dall'esterno. Il pendolo è fatto di un'asticella che può ruotare attorno al proprio asse. Nell'esperimento del 1927, alla base del l'asticella c'era uno specchietto, una piccola paletta soggetta agli urti delle molecole di gas che facevano ruotare il pendolo. Ma questo aveva in cima una molla, perciò non era libero di ruotare; di qui il nome di pendolo di torsione. Nell'uso che ne hanno fatto Loreto e i suoi colleghi, il pendolo è una sonda che, applicata al sistema di biglie, riesce a misurarne la temperatura. «Abbiamo scoperto che la sonda si muove tra le biglie, e il suo movimento è descritto da un'equazione che soprendentemente è molto simile, per non dire identica, a quella che rappresenta i sistemi in equilibrio», riferisce il fisico della Sapienza. Così si è conclusa con un successo la prima tappa della sfida. Oltre alla temperatura, è stato misurato anche il coefficiente di frizione (cioè la viscosità) del materiale granulare. «Abbiamo fatto una descrizione macroscopica - dice Loreto - con pochi parametri, e abbiamo dimostrato che è fattibile, anche per i sistemi granulari, un approccio basato su parametri come temperatura, pressione, volume; che cioè possono essere applicati i principii della termodinamica». La sfida. «Forti di questa conquista - prosegue il fisico - affronteremo questioni ancora più ardue, come la pattern formation: come emerge l'ordine dal disordine? Il nostro proposito è andare a studiare come si può produrre e controllare un movimento coerente agitando un sistema caotico del tipo di quello granulare», annuncia Vittorio Loreto. S'immagini di dover trasportare una massa di granelli da un luogo a un altro. «Agitando il tapis roulant su cui sono depositati vogliamo ottenere che dal movimento caotico dei granelli scaturisca un moto netto, per cui tutte le particelle arrivino a destinazione - dice il ricercatore romano -. Questa indagine è altrettanto utile a livello microscopico, per comprendere i cosiddetti "motori molecolari". Nel nostro organismo presiedono a qualsiasi attività. Un esempio eclatante: i motori che determinano la contrazione dei muscoli. Anche qui un moto coerente deriva da un movimento caotico, quello di tutti gli atomi e le molecole che compongono i cosiddetti motori molecolari (in questo caso, di fatto, nient'altro che proteine)». Così la manipolazione dei granulari - argomento molto concreto, essenziale per l'industria - passa dagli ingegneri ai fisici. La comunità mondiale dei fisici e dei matematici si dedica con grande impegno a questo studio. Che potrebbe interessare chiunque, osserva il ricercatore dell'Istituto nazionale di fisica della materia. Infatti i granulari entrano nella vita di tutti i giorni. Sono granulari, per esempio, lo zucchero e il caffè. E dei principii fisici fondamentali che guidano il comportamento dei granulari non si sa praticamente nulla. Non si sa come spiegare molti fenomeni che ormai ci si è rassegnati a considerare normali. «Per esempio, perché - quando costruiamo una montagnola di sabbia - non siamo in grado di stabilire quale è la pendenza massima oltre la quale crolla tutto? Sono diversi anni che lavoro sui granulari», dice Loreto. E aggiunge: «Fino a qualche anno fa mi ero occupato soltanto di simulazioni numeriche. Si imposta un modello, s'immagina cioè che il granulare possa essere semplificato in un certo modo; questo sistema modello viene simulato al computer e si ottengono certi risultati. Poi si confrontano questi risultati con i dati raccolti dall'osservazione sperimentale e così si può stabilire se il modello ha colto l'essenza della realtà». Questo è il metodo della fisica. Poi dalle simulazioni numeriche si è passati agli esperimenti e al pendolo di torsione. Ed è avvenuta la scoperta.