Cosa c’entra la trama di una sciarpa con lo studio della materia soffice? Ne parliamo con Luca Tubiana, professore del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento e coordinatore di un articolo corale a 59 firme che fa una panoramica internazionale sul tema (“Topology in soft and biological matter”). A occuparsi delle proprietà delle figure o degli oggetti che rimangono tali sotto deformazioni continue è la topologia, branca della matematica che riveste un ruolo essenziale nella comprensione di oggetti in vari ambiti: matematico, fisico, chimico e biologico.
Professor Tubiana, ci aiuta a riconoscere la tanta materia soffice che riempie la nostra vita quotidiana?
«Con “materia soffice” gli scienziati intendono tutti quei materiali che si deformano se sottoposti a forze anche molto piccole, ma mantengono una loro forma se lasciati indisturbati. La maggior parte dei materiali con cui interagiamo ogni giorno rientrano in questa categoria: i tessuti e le loro fibre, i cibi cotti, gli yogurt, le creme, le sostanze gommose e plastiche, buona parte della materia organica, dai muscoli ai tessuti degli organi, ma anche i cristalli liquidi che formano gli schermi di molti device».
Cibo, tessuti organici, plastica: sembrano cose molto diverse, eppure hanno delle proprietà che le accomunano. Quali sono?
«Sì, nella loro diversità sono accomunati da alcuni tratti distintivi che permettono di studiarne il comportamento grazie a teorie fisiche molto generali. In particolare, le molecole che costituiscono questi materiali interagiscono l’una con l’altra solo debolmente, il che dà origine alla deformabilità dei materiali stessi. Proprio questa caratteristica 
ci permette di ignorare i dettagli chimici delle molecole nel descrivere il comportamento della materia soffice: contano solo le loro interazioni. Grazie a ciò, è possibile individuare comportamenti universali che riguardando materiali di origine anche molto diversa. Ad esempio, le proprietà ottiche dei cristalli liquidi, ciò che li rende utili per costruire schermi, dipendono sostanzialmente dall’orientamento delle molecole che li costituiscono, e non dal tipo esatto di molecola. Allo stesso modo, le leggi che governano le proprietà di un polimero sopra una certa scala non dipendono più dai suoi dettagli chimici, e si possono usare per descrivere tanto il DNA quanto il polietilene.
Un’altra caratteristica fondamentale dei materiali soffici è che spesso piccole variazioni geometriche non influenzano le proprietà del materiale. Queste proprietà si chiamano topologiche e non vengono modificate dalle cosiddette “trasformazioni continue”, ossia trasformazioni che non ne alterino l’integrità. Consideriamo una sciarpa: possiamo appallottolarla, tirarla, piegarla, girarla intorno al collo per tenerci caldi; la sua trama resterà sempre la stessa, a meno di non prendere una forbice e tagliarla (una trasformazione discontinua). La trama della sciarpa è un perfetto esempio di proprietà topologica. E come noto a chi fa a maglia, diverse trame conferiscono diverse proprietà alla nostra sciarpa. Qualcosa di molto simile succede su scala microscopica».
Quali sono le applicazioni della topologia nel campo della fisica della materia e della biofisica?
«Le proprietà topologiche sono indipendenti sia dalla conformazione geometrica di un oggetto, sia dalla sua scala. Ci permettono quindi di descrivere una sciarpa così come l’intreccio di filamenti di DNA, alcune proprietà del genoma, o comportamenti dei cristalli liquidi. La topologia diventa quindi uno strumento utilissimo per razionalizzare le proprietà dei materiali soffici, per studiare l’evoluzione della vita, e anche per costruire nuovi materiali, magari ispirati da materiali naturali».
Quale scopo si prefigge la rassegna (review) appena pubblicata su Physics Reports?
«La review nasce dalla Cost Action, Eutopia, iniziativa per creare una comunità europea dedicata allo studio della topologia nella materia soffice e in ambito biofisico, mettendo in comunicazione scienziati e scienziate di campi vicini (dai cristalli liquidi, alla fisica del DNA e delle proteine, alla matematica e chimica, …), ma con rare interazioni a causa dell’iperspecializzazione della scienza moderna. Lo scopo della review è lo stesso: offrire una visione comune di una tematica che permea campi diversi e che necessita di basi matematiche che esulano dai normali curricula di studi in fisica o chimica».
Alla review hanno collaborato 59 scienziati e scienziate provenienti da istituzioni e enti di ricerca di tutto il mondo. Qual è il suo tratto distintivo? Quali sfide sono state affrontate?
«Abbiamo puntato a ottenere una rassegna il più possibile completa dello sviluppo avvenuto nell’ultimo decennio in una serie di campi specializzati, a costruire ponti tra le varie comunità che lavorano con la topologia dei materiali soffici. Per riuscirci, è stato essenziale coinvolgere prima di tutto gli esperti che in questi campi lavorano. Al contempo però bisognava offrire una visione omogenea della materia, che rendesse chiaro sia il gergo usato nei diversi ambienti, sia i concetti comuni e la direzione che sta prendendo ogni disciplina. Si è trattato quindi di costruire un dialogo, e da questo raggiungere una sintesi. Farlo a distanza, e con un numero così elevato di persone ha richiesto uno sforzo notevole, sia per rendere più democratico il formalismo utilizzato nelle varie sotto-discipline, in modo che risulti più accessibile per scienziati con formazioni diverse, sia per dare una direzione comune al progetto. Un’altra sfida rilevante è stata la gestione della scrittura e la revisione della review. Così ci siamo divisi in sei gruppi, ognuno gestito da due responsabili. Cinque di questi avevano il compito di contattare gli autori e organizzare il lavoro per aree tematiche, il sesto di coordinare il tutto. La cosa poi è evoluta da lì. Considerando che facevamo tutti parte di istituzioni diverse è stata necessaria molta elasticità nell’organizzazione del lavoro. Tutto questo sarebbe stato impossibile senza gli strumenti on-cloud forniti da UniTrento, a iniziare dalla suite Google per tenere traccia delle cose da fare e di diverse migliaia di email, alle licenze Overleaf fornite dal Dipartimento di Fisica per lavorare in più persone in contemporanea».