I ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno studiato il meccanismo della separazione di fase nelle due fasi con mobilità delle particelle molto diverse utilizzando simulazioni al computer. Hanno scoperto che le dinamiche lente di reti connesse complesse controllano la velocità di demixing, che può aiutare nella progettazione di nuovi materiali porosi funzionali, come le batterie agli ioni di litio.

Secondo il vecchio adagio, olio e acqua non si mescolano. Se provi a farlo comunque, vedrai l'affascinante processo di separazione di fase, in cui i due liquidi immiscibili spontaneamente si "mescolano". In questo caso, la fase di minoranza forma sempre goccioline. Contrariamente a ciò, i ricercatori hanno scoperto che se una fase ha una dinamica molto più lenta dell'altra fase, anche la fase di minoranza forma reti complesse invece di goccioline. Per esempio, nella separazione di fase di sospensioni colloidali (o soluzioni proteiche), la fase ricca di colloide (o ricca di proteine) con dinamica lenta forma una struttura di rete che abbraccia lo spazio. La struttura della rete si ispessisce e si ingrossa con il tempo pur avendo la notevole proprietà di sembrare simile su una gamma di scale di lunghezza, quindi le singole parti assomigliano al tutto.

In caso di demescolamento spontaneo, la proprietà auto-similare fa sì che la dimensione tipica dei domini aumenti in funzione del tempo trascorso obbedisce a una legge di potenza. Le teorie classiche prevedono che l'esponente di crescita dei domini dovrebbe essere un terzo e uno per strutture a goccia o bicontinue, rispettivamente. Però, per la separazione delle fasi di formazione della rete, non è stato esplorato come cresce la struttura o se esiste una tale legge.

Ora, utilizzando simulazioni al computer su larga scala, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno studiato come la dimensione tipica dei domini di fase cresce nel tempo quando un sistema è profondamente spento. "In una situazione del genere, la mobilità delle particelle può essere significativamente diversa tra le due fasi, poi, la teoria classica non si applica necessariamente, " afferma il primo autore Michio Tateno. Il team ha studiato la separazione di fase di un fluido in un gas e un liquido e la smiscelazione di una sospensione colloidale costituita da particelle insolubili e un liquido, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e calcoli idrodinamici, rispettivamente. Hanno scoperto che la fase minoritaria della dinamica lenta forma universalmente una struttura di rete che cresce con un esponente di crescita di 1/2, e ha fornito una spiegazione teorica per il meccanismo.

"Differenze significative nella mobilità delle particelle tra le due fasi svolgono un ruolo fondamentale nel controllo della velocità del processo di smiscelazione, " afferma Hajime Tanaka, autore senior. Poiché molti dispositivi, come batterie ricaricabili e catalizzatori, fare affidamento sulla creazione di intricate reti porose, questa ricerca può portare a progressi in queste aree. Inoltre, può far luce su alcune funzioni cellulari che sono state ipotizzate essere controllate da separazioni di fase biologica interna.

Lo studio è pubblicato su Comunicazioni sulla natura .