Un centro per lo studio della complessità

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L’argomento dell’ultimo lavoro, pubblicato lo scorso 24 novembre sui Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), sembra molto tecnico, perché riguarda “la deformazione e la rottura di gusci curvi di cristalli colloidali”.
Ma quello che Stefano Zapperi, fisico, vincitore di un grant ERC (European Research Council) e direttore del nuovo Center for Complexity & Biosystems (CC&B) dell’Università Statale di Milano, e i suoi colleghi (nell’occasione Carlotta Negri, Alessandro Sellerio e la spagnola Carmen Miguel dell’Università di Barcellona) cercano è qualcosa che va oltre il tema specifico: una teoria generale della deformazione e della rottura di ogni e qualsiasi sistema, sia esso un sottilissimo foglio di grafene (spesso quanto un solo atomo di carbonio) o un ponte come quello della Baia di Tsingtao , in Cina, che con i suoi 41,58 chilometri è, probabilmente, il più lungo del mondo.
Un tema, questo della deformazione e della frattura dei materiali, che ha interessato i primi grandi ingegneri dell’Europa rinascimentale, da Vannoccio Biringuccio a Leonardo Da Vinci (tra i più grandi artisti di ogni tempo). E che ha avuto in Galileo Galilei il primo teorico. Il toscano ha proposto una sua teoria quantitativa della deformazione e della rottura nel suo capolavoro scientifico, i Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, pubblicato lontano dall’Italia, a Leida, nel 1638 quando Galileo era da sei anni agli arresti domiciliari di Arcetri dopo la condanna del 1633 da parte della Chiesa di Roma.

Da allora i progressi nella scienza degli oggetti tangibili sono stati molti, ma ancora non abbiamo raggiunto l’obiettivo di Galileo: non abbiamo una teoria generale della deformazione e della rottura dei materiali. La sfida è più che mai attraente, per un fisico. Ed è per questo che da molti anni costituisce il cuore degli studi del fisico teorico Stefano Zapperi, ricercatore del Dipartimento di Fisica dell’Università Statale di Milano, che nel 2011 ha vinto un ERC Advanced grant proprio per studiare la risposta dei materiali (dei più diversi materiali) a forze esterne che li deformano e li portano a rottura. «Sono sempre stato affascinato – spiega – dal fatto che i materiali si rompono per i motivi più differenti alle scale più diverse». Già, perché una cosa è la rottura di un film di grafene sottoposto a qualche forza esterna, altra è la rottura di un ponte. In definitiva, gli eventi di rottura possono essere semplici o complessi. E l’interesse di Zapperi, come quello di Galileo, è cercare una legge generale tra tanta diversità. Ammesso che esista.
La ricerca di una teoria della deformazione e della rottura dei materiali si inquadra, dunque, nella più generale ricerca sui sistemi complessi. È per questo che Zapperi ha messo su e dirige a Milano il giovanissimo ma già brillante Center for Complexity & Biosystems (CC&B).
Il Centro non si occupa solo di materiali, ma dei sistemi più diversi: dagli organismi biologici alle dinamiche sociali. Chi volesse saperne di più, oltre a consultare il sito, può regalarsi la visione di una serie di video. Ma è importante cercare di afferrarne anche la filosofia generale, che è intrinsecamente interdisciplinare. Per questo abbiamo rivolto a Stefano Zapperi alcune domande.

Direttore, quando lei parla di complessità cosa intende?
La caratteristica dei sistemi complessi è quella di mostrare delle proprietà macroscopiche che emergono dalle interazioni tra tanti oggetti elementari e non dai dettagli particolari di ogni oggetto. L’altra particolarità dei sistemi complessi è quella di avere un comportamento collettivo auto-organizzato che avviene spontaneamente. I sistemi complessi ci circondano e il loro studio abbraccia tutti i campi del sapere, pensiamo ad esempio ai sistemi viventi, dalla singola cellula all’organismo fino alla società, ma anche ai materiali disordinati, auto-assemblati e biomimetici,  e infine alle reti informatiche. 

Qual è allora il suo approccio allo studio dei sistemi complessi? 
Abbiamo creato il Centro per la Complessità e i Biosistemi per affrontare le sfide poste dai sistemi complessi in modo interdisciplinare. Il modo migliore per capire come lavoriamo è venire ad uno dei nostri meeting del centro. Il problema scientifico viene discusso insieme da biologi, fisici e informatici che si siedono intorno ad un tavolo e progettano insieme gli studi. In questo modo rompiamo lo schema tradizionale che vede ciascuno intento a proteggere il proprio settore disciplinare. Per far questo occorre mettere in gioco le proprie conoscenze essendo pronti a prendere sul serio anche il punto di vista di chi proviene da un campo completamente diverso. 

C'è una tradizione italiana in questi studi? 
Lo studio dei sistemi complessi in Italia è stato portato avanti per anni da fisici come Luciano Pietronero che, tornato a Roma dall’Olanda, ha fondato l’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR, e Mario Rasetti che di ritorno da Princeton ha creato la Fondazione ISI a Torino. Un altro italiano è oggi una figura chiave nella scena internazionale dei sistemi complessi, Alessandro Vespignani, membro del comitato di indirizzo del nostro centro e professore alla Northeastern University di Boston.   Vespignani è legato direttamente a questa tradizione perché come me è stato allievo di Pietronero e lavora con la Fondazione ISI, di cui è stato per anni il direttore scientifico. Il nostro centro all’Università di Milano vuole sviluppare questa tradizione per formare una nuova generazione di ricercatori interdisciplinari che siano capaci di  affrontare i sistemi biologici in modo nuovo, affiancando agli esperimenti l’analisi quantitativa di grandi quantità di dati e lo studio di modelli teorico-computazionali predittivi. 

Veniamo al nocciolo della questione: esistono leggi generali della complessità che coinvolgono sia sistemi viventi che non viventi (oltre le leggi note della fisica e della chimica)? Al limite, esiste una legge generale della complessità?
È chiaro che le leggi della fisica e della chimica sono alla base della nostra comprensione della natura. Ma la questione ancora da risolvere è come combinare le leggi che regolano il comportamento dei mattoni elementari e spiegare il comportamento emergente di un sistema complesso, come una cellula o un organismo.
Probabilmente non esiste una singola teoria che descrive tutto, ma esistono sicuramente delle leggi universali che si applicanoa tanti fenomeni diversi. Scoprire queste leggi è l’obiettivo del nostro centro.

 

            

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