materia soffice

materia soffice

matèria sòffice locuz. sost. f. – Denominazione generale di un'ampia categoria di sistemi fisici che si presentano sotto forma di fase condensata ma possiedono una serie di proprietà, soprattutto meccaniche, che li differenziano nettamente dallo stato solido cristallino. Più in particolare, si può definire la m. s. (in modo peraltro non del tutto comprensivo) come quel tipo di materia condensata caratterizzato dalla proprietà di resistere fortemente alla compressione, ma debolmente al taglio. Un esempio semplice è fornito da un pezzo di gomma naturale a legami incrociati (lattice), che può essere facilmente deformato a volume costante ma la cui resistenza a cambiamenti di volume, misurata dal modulo di compressibilità, è alta quanto quella di un solido cristallino. Rientrano così nella m. s. sistemi quali colloidi, polimeri fusi e soluzioni polimeriche, emulsioni, schiume, soluzioni tensioattive, polveri e materiali simili. Ne sono esempi alcuni sistemi largamente presenti nella vita quotidiana: gel polimerici (gelatina), emulsioni (maionese), soluzioni detergenti viscoelastiche (shampoo), reticoli cristallini di grassi (margarine), colloidi concentrati (vernici), soluzioni di polimeri (olio per motori multigrade) e cristalli liquidi liotropici (per es., la poltiglia prodotta da una saponetta quando è lasciata in acqua). È meno immediato qualificare come m. s. la schiuma da barba e la spuma della birra, che sono relativamente incompressibili finché non è permessa la fuga del gas intrappolato al loro interno. Rientrano nella categoria anche i colloidi densi, come le salse collose che si ottengono mescolando maizena (amido di mais) con acqua. Questi possono sviluppare, sotto forti pressioni, un'alta resistenza alle deformazioni di taglio – un fenomeno chiamato ispessimento al taglio (shear thickening) –, ma sono comunque più facili da deformare trasversalmente che da comprimere. Il caso delle polveri secche è leggermente anomalo, in quanto possono assumere vari volumi a seconda di come il campione è stato agitato e tendono anche a dilatarsi quando sono sottoposte a taglio (dilatanza): pur non adattandosi alla definizione data sopra, vengono in genere fatte rientrare nel campo della m. s. perché molti aspetti del loro comportamento sono simili a quelli dei colloidi densi. Una proprietà caratteristica della m. s. è che la composizione molecolare del sistema ha soltanto una limitata influenza sul comportamento fisico, che è controllato piuttosto dalla struttura su scala mesoscopica, cioè su lunghezze che vanno da 1 nm (10⁻⁹ m) a 1 μm (10⁻⁶ m), facilmente modificabile da agenti esterni quali le sollecitazioni meccaniche. Ciò contrasta con lo stato cristallino, le cui proprietà sono in buona parte ascrivibili alle interazioni atomico/molecolari, trattabili, almeno in parte e in linea di principio, mediante la meccanica quantistica. Le principali proprietà della m. s., invece, si manifestano a temperature tali che l'energia termica è sufficientemente elevata da rendere non primari gli effetti quantistici. Oltre a differire nettamente dalla materia condensata solida cristallina, questi materiali si distinguono anche dai liquidi semplici, come l'acqua. Quest'ultima non si comprime facilmente e, pur opponendo poca resistenza alle sollecitazioni di taglio, lo fa in un modo puramente viscoso: lo sforzo interno è proporzionale alla velocità della deformazione (comportamento newtoniano). Al contrario, la maggior parte dei materiali elencati in precedenza si oppone alle sollecitazioni secondo una modalità viscoelastica: la loro risposta alla deformazione mostra una mescolanza di caratteristiche elastiche e viscose. Per es., una soluzione polimerica cui sia applicata una piccola forza di taglio, dapprima risponde elasticamente, cioè con uno sforzo di taglio proporzionale alla forza applicata per unità di superficie (la pressione di taglio) e, dopo un certo tempo, inizia a fluire come un liquido, con una velocità di deformazione (non la deformazione stessa) proporzionale allo sforzo. Ne sono un esempio alcuni giocattoli quale lo 'stucco sciocco' (silly putty), che rimbalza come una palla di gomma ma che, se lasciato a sé, si estende fino a formare sul piano d'appoggio una frittella sottile. Questa distinzione è basata sulle scale di tempo: anche l'acqua dapprima risponde elasticamente, ma per un tempo così breve che la maggior parte degli esperimenti non riesce a rilevarlo. I materiali soffici mostrano invece qualche grado di elasticità su scale temporali facilmente osservabili (dai millisecondi ai giorni). Molti materiali soffici sono formati da un fluido semplice, come l'acqua, nel quale sono sospesi oggetti mesoscopici la cui struttura si estende su una scala che varia dal nanometro al micron e la cui dinamica lenta prolunga la risposta elastica.