Materia attiva

In fisica statistica per materia attiva si intende un sistema complesso composto da un gran numero di elementi attivi, ciascuno dei quali consuma energia per muoversi o per esercitare forze meccaniche.^[1][2] Tali sistemi sono intrinsecamente fuori dall'equilibrio termodinamico. A differenza dei sistemi termodinamici che si rilassano verso l'equilibrio e dei sistemi con condizioni al contorno che impongono flussi costanti, i sistemi di materia attiva rompono la simmetria di inversione temporale perché l'energia viene continuamente dissipata dai singoli costituenti.^[3][4][5] La maggior parte degli esempi di materia attiva sono di origine biologica e spaziano su tutte le scale dei viventi, dai batteri e dai biopolimeri auto-organizzanti quali microtubuli e actina (entrambi fanno parte del citoscheletro delle cellule viventi), ai banchi di pesci e agli stormi di uccelli. Inoltre, gran parte del lavoro sperimentale attuale è dedicato a sistemi sintetici come le particelle semoventi artificiali.^[6][7] La materia attiva è una concetto relativamente nuovo all'interno del campo della materia soffice: il modello più studiato, il modello di Vicsek, risale al 1995.^[8]

La ricerca sulla materia attiva combina tecniche analitiche, simulazioni numeriche ed esperimenti. Gli approcci teorici principali includono l'idrodinamica,^[9] la teoria cinetica e la meccanica statistica del non equilibrio. Gli studi numerici coinvolgono principalmente modelli di particelle semoventi,^[8][10] modelli basati su agenti come algoritmi di dinamica molecolare o modelli di gas reticolare,^[11] così come simulazioni computazionali di equazioni idrodinamiche di fluidi attivi.^[9] Gli esperimenti sui sistemi biologici si estendono su un'ampia gamma di scale, inclusi gruppi di persone^[12] e animali (ad esempio stormi di uccelli,^[13] branchi di mammiferi, banchi di pesci e sciami di insetti^[14]), colonie di micronuotatori^[15] come batteri, alghe unicellulari o spermatozoi, tessuti cellulari (ad esempio strati di tessuto epiteliale,^[16] crescita tumorale ed embriogenesi), componenti del citoscheletro (come reti actina-miosina o filamenti guidati da motori molecolari^[17]). Gli esperimenti sui sistemi artificiali includono colloidi semoventi (ad es. particelle a propulsione foretica^[18]), materia granulare guidata (ad esempio monostrati fatti vibrare^[19]), robot che sciamano e rotatori Quinke.^[20]