I ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno condotto simulazioni considerando e trascurando le interazioni idrodinamiche per determinare se queste interazioni causano o meno la grande discrepanza osservata tra i tassi di nucleazione sperimentali e calcolati per i sistemi colloidali a sfera dura, utilizzati per modellare la cristallizzazione. Il team ha ottenuto tassi di nucleazione simili da entrambe le simulazioni, chiarendo che le interazioni idrodinamiche non possono spiegare la mancata corrispondenza osservata tra i tassi di nucleazione reali e simulati per i sistemi a sfera dura.

La cristallizzazione è il fenomeno fisico della trasformazione di molecole disordinate in una fase liquida o gassosa in un cristallo solido altamente ordinato attraverso due fasi:nucleazione e crescita. La cristallizzazione è molto importante nei materiali e nelle scienze naturali perché si verifica in un'ampia gamma di materiali, compresi i metalli, composti organici, e molecole biologiche, quindi è desiderabile comprendere in modo completo questo processo.

I colloidi costituiti da sfere dure sospese in un liquido sono spesso usati come sistema modello per studiare la cristallizzazione. Per molti anni, è stata osservata una grande discrepanza fino a dieci ordini di grandezza tra i tassi di nucleazione simulati computazionalmente e misurati sperimentalmente dei colloidi a sfera dura. Questa discrepanza è stata tipicamente spiegata dalle simulazioni che non prendono in considerazione le interazioni idrodinamiche, le interazioni tra le molecole di solvente. Ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo, l'Università di Oxford, e l'Università La Sapienza ha recentemente collaborato per esplorare ulteriormente questa spiegazione per la discrepanza tra i tassi di nucleazione effettivi e calcolati.

La collaborazione ha prima sviluppato un modello colloidale a sfera rigida in grado di simulare in modo affidabile il comportamento termodinamico sperimentale di sistemi reali di sfere rigide. Prossimo, hanno condotto simulazioni di cristallizzazione del sistema modello considerando e trascurando le interazioni idrodinamiche per chiarire l'effetto di queste interazioni sul comportamento di cristallizzazione.

"Inizialmente abbiamo progettato un modello di simulazione che riproducesse accuratamente la termodinamica reale dei sistemi a sfera dura, ", afferma l'autore principale dello studio Michio Tateno. "Ciò ha confermato l'affidabilità e l'idoneità del modello per l'uso in ulteriori simulazioni".

I risultati della simulazione ottenuti utilizzando il modello sviluppato trascurando e considerando le interazioni idrodinamiche hanno rivelato che le interazioni idrodinamiche non hanno influenzato il tasso di nucleazione, che era contrario al consenso prevalente. I grafici del tasso di nucleazione rispetto alla proporzione di sfere dure nel sistema erano gli stessi per i calcoli sia con che senza interazioni idrodinamiche e concordavano anche con i risultati riportati da un altro gruppo di ricerca.

"Abbiamo eseguito i calcoli utilizzando il modello sviluppato con e senza considerare le interazioni idrodinamiche, " spiega l'autore senior Hajime Tanaka. "I tassi calcolati di nucleazione dei cristalli erano simili in entrambi i casi, il che ci ha portato a concludere che le interazioni idrodinamiche non spiegano i tassi di nucleazione enormemente diversi ottenuti sperimentalmente e teoricamente".

I risultati del team di ricerca hanno chiaramente illustrato che le interazioni idrodinamiche non sono l'origine della grande discrepanza tra i tassi di nucleazione sperimentali e simulati. I loro risultati migliorano la nostra comprensione del comportamento di cristallizzazione, ma lasciano inspiegata l'origine di questa grande discrepanza.

L'articolo "Influenza delle interazioni idrodinamiche sulla cristallizzazione colloidale" è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .