liquidi, con le loro dinamiche fluide, sono spesso lontani dall'equilibrio. Ciò rende particolarmente difficile modellare i processi nella materia molle o nei tessuti viventi, che contengono liquidi. Una nuova ricerca dell'Istituto di scienze industriali (IIS) dell'Università di Tokyo offre un approccio elegante alla modellazione dell'auto-organizzazione dei sistemi fuori equilibrio.

Tali sistemi cercano naturalmente di auto-organizzarsi in stati più stabili. Sospensioni colloidali:sospensioni omogenee di particelle non disciolte in un liquido, che sono molto diffusi in natura, tendono a separarsi nel tempo se i colloidi si attraggono fortemente l'uno con l'altro. Una delle maggiori difficoltà nella modellazione di questo processo è la complessa interazione dinamica tra colloidi e liquido. I due componenti hanno dinamiche molto diverse che difficilmente uniscono in un unico modello.

Lo studio IIS, pubblicato in Materiali computazionali naturali , risolve questo problema attraverso un approccio chiamato fluidodinamica delle particelle (FPD). Invece di essere trattati come solidi, le particelle colloidali sospese sono simulate come goccioline liquide indeformabili ad alta viscosità. Questo rende efficacemente la sospensione colloidale una miscela liquida binaria, ed elimina la necessità di un trattamento complicato di una condizione al contorno solido-liquido.

Per convalidare le simulazioni, sono stati confrontati con studi al microscopio 3D sulla smiscelazione di vere sospensioni colloidali, dove i colloidi si aggregano in ammassi più grandi. "I fattori chiave per controllare la stabilità della dispersione erano il potenziale intercolloide, che controlla come interagiscono le particelle, e la temperatura, ", afferma il coautore dello studio Michio Tateno. "Scegli quelli con attenzione, e il processo cinetico della smiscelazione è riprodotto in modo molto accurato."

Oltre al potenziale intercolloide e alla temperatura, il modello non contiene parametri regolabili, che lo rende generalmente applicabile a miscele non in equilibrio di ogni tipo, e testimonia l'essenziale correttezza del concetto di FPD sottostante. Però, lo studio ha confermato un requisito cruciale per qualsiasi modello di tali sistemi:le interazioni idrodinamiche.

"Le particelle in una sospensione colloidale, anche se sono separati l'uno dall'altro, interagiscono indirettamente attraverso i loro effetti sul solvente", spiega l'autore principale Hajime Tanaka. "Questa 'interazione idrodinamica' è presente nel nostro modello FDP. Senza di essa, ad esempio, nei modelli che trascurano il movimento del solvente, la cinetica della separazione di fase è completamente sbagliata."

Tateno e Tanaka sperano che la semplicità e l'accuratezza delle loro previsioni FPD prive di parametri aprano nuove strade alla simulazione di materia soffice e fluidi biologici, e potrebbe un giorno migliorare la progettazione assistita da computer di materiali colloidali avanzati.