In un importante passo avanti pubblicato in Comunicazioni sulla natura , sono state svelate le leggi universali che regolano la formazione dei materiali nanostrutturati. Ricercatori guidati dal Prof. Alessio Zaccone dell'Università degli Studi di Milano e dal Prof. Peter Schall dell'Università di Amsterdam, hanno dimostrato che la transizione di fase attraverso la quale le nanoparticelle colloidali si aggregano in un materiale solido simile a un sistema (un gel colloidale) è descritta da leggi universali che sono indipendenti dalle peculiari caratteristiche fisico-chimiche di un dato sistema.

In particolare, attraverso una stretta sinergia tra teoria, simulazioni numeriche e indagini sperimentali, i ricercatori mostrano, per la prima volta dopo decenni di accesi dibattiti, che la trasformazione di fase sottostante (chiamata gelificazione colloidale) coincide con una transizione di fase continua del secondo ordine che si verifica al di fuori dell'equilibrio termodinamico. Transizioni di fase che portano, per esempio., da un gas a un liquido o da un liquido a un solido sono classificati come transizioni di fase del primo ordine se determinate quantità termodinamiche presentano una discontinuità attraverso la transizione, mentre sono classificati come transizioni di fase del secondo ordine se tali quantità termodinamiche cambiano dolcemente.

Questo fa un'enorme differenza, perché le leggi matematiche che permettono di prevedere il punto di transizione e le sue caratteristiche, così come le proprietà fisiche della nuova fase, sono molto diverse nei due casi. Nel contesto delle nanoparticelle, la transizione di gelificazione è peculiare perché le nanoparticelle nella fase sol dispersa sono sospese in un liquido (es. acqua) come singole particelle o parte di "cluster" isolati tra loro, mentre nella fase solida o gel i cluster si interconnettono in una rete frattale. Questa rete è apparentemente "disordinata" o caotica, ma in realtà, presenta un alto grado di simmetria perché è frattale. La natura frattale del materiale implica che la densità delle particelle decade nello spazio con la stessa legge di potenza misurata da ogni punto del materiale e l'esponente della legge di potenza che governa questo decadimento è chiamato dimensione frattale (altri esempi di oggetti frattali sono fiocchi di neve, reti fluviali, montagne o la costa della Gran Bretagna).

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di determinare se la trasformazione delle nanoparticelle disciolte in un liquido in una rete frattale è governata da una specifica transizione di fase termodinamica. Il nuovo studio dimostra che la transizione di fase, insieme ai suoi esponenti critici, che regolano le distribuzioni dimensionali dei cluster sia in fase sol che in fase gel, così come la dimensione frattale della rete stessa (cioè, la struttura del materiale), può essere calcolato teoricamente a priori, ed esattamente gli stessi valori di esponenti sono stati misurati sperimentalmente in sistemi colloidali utilizzando tecniche di microscopia confocale, e anche gli stessi esponenti sono stati trovati in simulazioni di dinamica molecolare al computer.

Questo risultato è un importante passo avanti per la progettazione, sviluppo e controllo di materiali nanostrutturati con una struttura frattale desiderata e per quantificare e ottimizzare la sintesi industriale di questi materiali. Le applicazioni sono molteplici e spaziano dai gel colloidali per l'agricoltura (per il rilascio controllato di agenti attivi) ai gel proteici utilizzati nelle biotecnologie e nella somministrazione di farmaci, a materiali in gomma nanocompositi riempiti con reti frattali di nanoparticelle che consentono una riduzione delle emissioni inquinanti nel trasporto veicolare.