En universel beskrivelse af ikke-ligevægtskolloidfaseseparation

Væsker, med deres flydende dynamik, er ofte langt fra ligevægt. Dette gør det særligt svært at modellere processer i blødt stof eller levende væv, som indeholder væsker. Ny forskning fra University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) tilbyder en elegant tilgang til modellering af selvorganisering af systemer uden for ligevægt.

Sådanne systemer forsøger naturligvis at selvorganisere sig i mere stabile tilstande. Kolloide suspensioner - homogene suspensioner af uopløste partikler i en væske, som er udbredt i naturen - har en tendens til at adskille sig over tid, hvis kolloider stærkt tiltrækker hinanden. En stor vanskelighed ved modellering af denne proces er den komplekse dynamiske interaktion mellem kolloider og væske. De to komponenter har meget forskellige dynamikker, der er svære at forene i en enkelt model.

IIS -undersøgelsen, udgivet i Natur beregningsmaterialer , løser dette ved en fremgangsmåde kaldet væskepartikeldynamik (FPD). I stedet for at blive behandlet som faste stoffer, de suspenderede kolloidpartikler simuleres som ikke -deformerbare meget viskøse væskedråber. Dette gør effektivt den kolloide suspension til en binær flydende blanding, og fjerner behovet for kompliceret behandling af en fast-væske grænsetilstand.

For at validere simuleringerne, de blev sammenlignet med 3D-mikroskopundersøgelser af afblanding af ægte kolloide suspensioner, hvor kolloiderne aggregerer i større klynger. "De vigtigste faktorer til at kontrollere dispersionsstabiliteten var det interkollide potentiale, som styrer hvordan partikler interagerer, og temperaturen, "siger studieforfatter Michio Tateno." Vælg dem omhyggeligt, og den kinetiske proces med afblanding gengives meget præcist. "

Andre end interkolloid potentiale og temperatur, modellen indeholder ingen justerbare parametre, hvilket gør det generelt gældende for ikke-ligevægtsblandinger af enhver art, og vidner om den væsentlige korrekthed af det underliggende FPD -koncept. Imidlertid, undersøgelsen bekræftede dog et afgørende krav for enhver model af sådanne systemer - hydrodynamiske interaktioner.

"Partiklerne i en kolloid suspension, selvom de er adskilt fra hinanden, interagere indirekte gennem deres virkninger på opløsningsmidlet "forklarer hovedforfatter Hajime Tanaka." Denne 'hydrodynamiske interaktion' findes i vores FDP -model. Uden det - f.eks. i modeller, der forsømmer opløsningsmiddelets bevægelse - faseseparationskinetikken er helt forkert. "

Tateno og Tanaka håber, at enkelheden og nøjagtigheden af ​​deres parameterfrie FPD-forudsigelser åbner nye muligheder for at simulere blødt stof og biologiske væsker, og kunne en dag forbedre computerstøttet design af avancerede kolloide materialer.