Al di fuori dell’immaginazione degli insegnanti di fisica, i dispositivi senza attrito sono difficili da trovare. Ma mettendo un gruppo di batteri che nuotano in una goccia d’acqua si ottiene proprio questo: un fluido con zero resistenza al movimento. Incredibilmente, questa resistenza (o viscosità, come è propriamente noto) può anche diventare negativa, creando un liquido auto-propulsivo che potrebbe, diciamo, far girare un motore in un modo che sembra sfidare le leggi della termodinamica. Un lavoro recente spiega come i batteri cospirano per tirare fuori l’improbabile.

“Per un fluido normale è impossibile perché l’intera cosa sarebbe instabile”, ha detto Aurore Loisy, un fisico dell’Università di Bristol nel Regno Unito e un co-autore di uno dei nuovi studi, “ma per i batteri in qualche modo funziona.”

I fisici hanno sognato a lungo di ottenere qualcosa per niente, anche se solo in esperimenti di pensiero stravaganti. Negli anni 1860 James Maxwell evocò un demone onnisciente che poteva spostare le molecole veloci dell’aria da una parte della stanza e quelle lente dall’altra, creando una differenza di temperatura che poteva alimentare un motore. Con un po’ più di praticità, nel 1962 Richard Feynman parlò di un ingranaggio microscopico che, se spostato dalle molecole d’aria, avrebbe girato in una sola direzione, azionando un motore. Ma tali idee sono infrante dalla Seconda Legge della Termodinamica, che insiste sul fatto che l’ordinamento o la rotazione devono generare calore che condanna entrambi gli schemi. Come disse il poeta Allen Ginsberg, non si può vincere, e non si può andare in pareggio.

Di recente, le prove stanno aumentando che mentre un pranzo gratis è fuori discussione, uno spuntino economico potrebbe essere fattibile con un sistema costruito intorno a un fluido vivente. Le stranezze sperimentali hanno cominciato ad emergere nel 2015 quando un team francese ha confermato che le soluzioni di E. coli e acqua potrebbero diventare innaturalmente scivolose. Incastrando una goccia tra due piccole piastre, hanno registrato la forza necessaria per far scorrere una piastra ad una certa velocità. I liquidi di solito diventano più difficili da mescolare, o più viscosi, quando contengono ulteriori particelle sospese (si pensi all’acqua contro il fango), ma il contrario risulta essere vero quando le particelle possono nuotare. Quando la soluzione era circa mezzo per cento di E. coli in volume, mantenere la piastra in movimento non richiedeva alcuna forza, indicando viscosità zero. Alcune prove hanno persino registrato una viscosità negativa, quando i ricercatori hanno dovuto applicare un po’ di forza contro il movimento delle piastre per impedire loro di accelerare. Il liquido stava facendo lavoro, che per qualsiasi fluido inerte avrebbe significato una violazione della Seconda Legge.

La conclusione diretta era che gli organismi stavano nuotando in un modo che neutralizzava l’attrito interno della soluzione per produrre qualcosa come un superfluido, un liquido con resistenza zero. L’apparente violazione della termodinamica era un’illusione perché i batteri stavano facendo il lavoro per compensare o superare la viscosità.

“Ogni singolo batterio è estremamente debole, ma c’è forza nei numeri”, ha detto Jörn Dunkel, un matematico del Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nell’esperimento.

Ma gli E. coli in genere non nuotano tutti nella stessa direzione, quindi la ricerca successiva ha cercato di capire cosa potrebbe coordinare i loro movimenti. Una risposta, secondo una ricerca pubblicata a luglio nei Proceedings of the National Academy of Sciences, sono le interazioni tra gli individui.

“Quando si ha un’alta densità, iniziano a sciamare”, ha detto Xiang Cheng, un fisico dell’Università del Minnesota e co-autore del documento. Ma a differenza dello sciame visto nei banchi di pesci e negli stormi di uccelli, lo sciame di E. coli è guidato puramente dalle loro caratteristiche fisiche, non da una risposta animata.

La configurazione dei ricercatori assomigliava a quella del team francese, ma un microscopio allegato ha permesso loro di seguire il comportamento dei batteri. Sicuramente, quando il cocktail di E. coli ha raggiunto il 10-20% di batteri in volume, si sono formati dei vortici. Mentre i batteri solcavano l’acqua, che si sente spessa come il miele sulla loro scala microscopica, hanno prodotto onde d’urto che hanno scosso i loro compagni sia vicini che lontani.

“È un po’ come se avessi un sacco di stelle in una galassia e possono influenzarsi a vicenda”, ha detto Dunkel. Queste forze hanno incoraggiato gruppi locali di E. coli che nuotano ad allineare i loro corpi a forma di pillola.

Poi il movimento delle piastre rende quel comportamento locale globale. Trascinando la piastra superiore, il fluido viene increspato da forze di taglio, che in effetti organizzano e orientano gli sciami.

“Senza taglio, la direzione dello sciame è casuale”, ha detto Cheng. “Una volta che l’influenza delle piastre aiuta i batteri a stabilirsi in un allineamento medio, il loro nuoto spinge sull’acqua e genera flussi locali che trasformano le proprietà su larga scala della soluzione. I risultati sperimentali di Cheng sono ampiamente coerenti con un nuovo modello teorico, pubblicato appena una settimana prima su Physical Review Letters. Con l’obiettivo di sviluppare un quadro matematico per descrivere l’esperimento del 2015, i ricercatori hanno modificato le equazioni utilizzate per i cristalli liquidi con nuovi termini che tengono conto dell’attività dei batteri.

La loro teoria ha riprodotto le viscosità basse e negative viste negli esperimenti e ha anche previsto che i batteri potrebbero orientarsi collettivamente in più modelli stabili sotto la pressione delle piastre.

“Si scopre che in realtà si hanno due stati possibili, due possibili soluzioni di equilibrio”, ha detto Loisy.

Dunkel ha paragonato l’effetto a tenere un pezzo di carta lungo i bordi superiore e inferiore e unire le mani: Quando la carta si piega, si piega a forma di C o di S. È poi improbabile che cambi da una di queste due configurazioni fino al rilascio. Il lavoro di Cheng suggerisce anche due orientamenti su larga scala, ma si aspetta che entrambi siano presenti contemporaneamente in diversi gruppi di batteri, e che il comportamento osservato rappresenti una media.

I dettagli su come questi effetti contribuiscano al comportamento superfluidico collettivo rimangono da elaborare, ma nessuno contesta che il trasferimento di energia dal microscopico al visibile sia reale, e particolare.

“Di solito non è possibile farlo. Non si può alimentare un motore con un fluido”, ha detto Loisy.

Ma con l’energia batterica, a quanto pare, è possibile.

“Se si avessero abbastanza batteri nella giusta configurazione, si potrebbe effettivamente farli muovere le strutture”, ha detto Dunkel, che solleva la possibilità allettante di sfruttare il movimento delle piastre per far girare una turbina.

Oltre a guidare un motore molto piccolo alla velocità dei batteri, altre applicazioni potenziali includono “liquidi intelligenti” che potrebbero infiltrarsi nei canali sotterranei per spingere fuori il petrolio o le sostanze inquinanti, secondo Harold Auradou, un fisico dell’Università di Paris-Sud e co-autore del documento del 2015.

Naturalmente, per tutti i conti, le leggi della termodinamica rimangono in pieno effetto.

“Non stai facendo nulla di magico qui”, ha detto Loisy.

Due fattori permettono alle soluzioni batteriche di avere successo dove i demoni e i micro-ingranaggi non riescono. In primo luogo, gli E. coli agiscono come piccoli motori, metabolizzando l’energia dallo zucchero e dall’ossigeno nell’acqua. Per mantenerli in movimento, i ricercatori fanno molta attenzione ad ottenere il giusto equilibrio di nutrienti. Troppo poco, e muoiono di fame. Troppo, e diventano pigre.

“Sono come gli umani”, ha detto Cheng con una risata.

Ma tutta l’energia del mondo non aiuterà se è troppo distribuita in modo uniforme, o troppo disorganizzata. Un sistema ha bisogno di asimmetria per convogliare l’energia da una posizione all’altra. I motori termici richiedono un fluido caldo e un fluido freddo, per esempio, e le turbine idroelettriche hanno bisogno di acqua che scorre da un luogo alto a un luogo basso. Per i batteri, si tratta della loro forma allungata, che risponde alle forze nell’acqua.

“Solo il fatto che si allineano, che c’è una direzione preferita, rompe la simmetria”, ha detto Loisy. “Se fossero sferici non funzionerebbe”.

Questo articolo è stato ristampato in spagnolo su Investigacionyciencia.es.