L'acqua ghiacciata può assumere fino a tre forme contemporaneamente quando si scioglie:liquida, ghiaccio e gas. Questo principio, che afferma che molte sostanze possono verificarsi in un massimo di tre fasi contemporaneamente, fu spiegato 150 anni fa dalla regola delle fasi di Gibbs. Oggi, i ricercatori dell'Università di Tecnologia di Eindhoven e dell'Università Paris-Saclay stanno sfidando questa teoria classica, con prova di un equilibrio in cinque fasi, qualcosa che molti studiosi consideravano impossibile. Questa nuova conoscenza fornisce utili spunti per le industrie che lavorano con miscele complesse, come nella produzione di maionese, vernice o LCD. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Il fondatore della termodinamica e della chimica fisica contemporanee è il fisico americano Josiah Willard Gibbs. Nel 1870, ha derivato la regola delle fasi, che descrive il numero massimo di fasi diverse che una sostanza o una miscela di sostanze può assumere contemporaneamente. Per le sostanze pure, la Gibbs Phase Rule prevede un massimo di tre fasi.

Professor Remco Tuinier, dell'Istituto per i sistemi molecolari complessi, dice, "Al tempo, Einstein definì la termodinamica di Gibbs l'unica teoria di cui si fidasse veramente. Se prendiamo l'acqua come esempio, c'è un punto, con una temperatura e una pressione specifiche, dove l'acqua si presenta come gas, liquido e ghiaccio allo stesso tempo, il cosiddetto punto triplo".

Professore assistente Mark Vis, dallo stesso gruppo di ricerca di Tuinier, dice, "Questa classica regola delle fasi di Gibbs è solida come una roccia e non è mai stata sfidata".

LA FORMA CONTA

Secondo questa regola di fase, la miscela studiata dai ricercatori mostrerebbe anche un massimo di tre fasi in un punto specifico contemporaneamente. Ma Tuinier e i suoi colleghi ora mostrano che in questa miscela, c'è tutta una serie di circostanze in cui esistono quattro fasi contemporaneamente. C'è anche un punto in cui ci sono cinque fasi coesistenti:due di troppo, secondo Gibbs. A quel punto preciso, chiamato anche equilibrio a cinque fasi, una fase gassosa, due fasi a cristalli liquidi, e due fasi solide con cristalli "ordinari" esistono simultaneamente. E questo non è mai stato visto prima. "Questa è la prima volta che la famosa regola di Gibbs viene infranta, " dice Vis.

Il punto cruciale sta nella forma delle particelle nella miscela. Gibbs non l'ha preso in considerazione, ma gli scienziati di Eindhoven ora mostrano che sono proprio la lunghezza e il diametro specifici delle particelle a svolgere un ruolo importante. Tuinier dice, "Oltre alle variabili note di temperatura e pressione, si ottengono due variabili aggiuntive:la lunghezza della particella in relazione al suo diametro, e il diametro della particella in relazione al diametro di altre particelle nella soluzione."

Canne classificate

Nei loro modelli teorici, i ricercatori hanno lavorato con una miscela di due sostanze in un solvente di fondo:bastoncini e polimeri. Questo è anche chiamato un sistema colloidale, in cui le particelle sono solide e il mezzo è liquido. Poiché le particelle non possono occupare esattamente lo stesso spazio, interagiscono tra loro. "Questo è anche chiamato effetto volume escluso; fa sì che le aste vogliano sedersi insieme. Sono, com'era, spinti l'uno verso l'altro dalle catene polimeriche. In questo modo, si ottiene una regione nella miscela che contiene principalmente bastoncelli, e una zona ricca di polimeri, " spiega Tuinier. "Le canne poi affondano sul fondo, perché di solito sono più pesanti. Questo è l'inizio della segregazione, fasi di creazione".

La parte inferiore, che contiene principalmente canne, alla fine diventerà così affollato che le aste interferiranno l'una con l'altra. Quindi assumono una posizione preferenziale, in modo che siano meno d'intralcio l'uno all'altro.

Le aste sono situate in una disposizione ordinata l'una accanto all'altra. Infine, presentano cinque diverse fasi:una fase gassosa con aste non allineate in alto (una fase isotropa), una fase liquida con aste che puntano più o meno nella stessa direzione (cristallo liquido nematico), una fase liquida con bastoncini disposti in diversi strati (cristallo liquido smettico), e due fasi solide in basso.

Maionese e monitor

Vis:"La nostra ricerca contribuisce alla conoscenza fondamentale di questo tipo di transizione di fase e aiuta a comprendere e prevedere con maggiore precisione quando si verificano questi tipi di transizione". La scoperta è utile in molte aree. Pensa a pompare miscele complesse in reattori industriali, realizzare prodotti complessi come miscele colloidali come maionese e vernici, o ghiaccio che si forma sui finestrini delle auto e ghiaccio nero sulle strade.

Anche nei cristalli liquidi dei monitor, questi processi giocano un ruolo. "La maggior parte delle industrie sceglie di lavorare con un sistema monofase, dove non c'è segregazione. Ma se le esatte transizioni sono descritte chiaramente, quindi l'industria può effettivamente utilizzare queste diverse fasi invece di evitarle, "dice Vis.

È stato più o meno casuale che i ricercatori siano arrivati ​​a un equilibrio di più di tre fasi. Durante la simulazione e la programmazione di particelle e polimeri piastriformi, dottorato di ricerca gli studenti Álvaro González García e Vincent Peters del gruppo di Tuinier hanno visto un equilibrio in quattro fasi. Tuinier dice, "Un giorno Álvaro è venuto da me e mi ha chiesto cosa fosse andato storto. Perché quattro fasi non potevano andare bene".

Quindi i ricercatori hanno provato più forme, come cubi e anche aste. Tuinier dice, "Con le canne, la maggior parte delle fasi si è rivelata possibile, abbiamo anche trovato un equilibrio in cinque fasi. Ciò potrebbe anche significare che sono possibili equilibri ancora più complicati, purché si cerchi abbastanza a lungo per complesse forme di particelle diverse."