Opdagelse af en ny lov om faseadskillelse

Forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo undersøgte mekanismen for faseadskillelse i de to faser med meget forskellige partikelmobiliteter ved hjælp af computersimuleringer. De fandt ud af, at langsom dynamik i komplekse forbundne netværk styrer hastigheden af ​​demixing, som kan hjælpe med design af nye funktionelle porøse materialer, som lithium-ion-batterier.

Ifølge det gamle ordsprog, olie og vand blandes ikke. Hvis du alligevel prøver at gøre det, du vil se den fascinerende proces med faseadskillelse, hvor de to ublandbare væsker spontant "demixes". I dette tilfælde, minoritetsfasen danner altid dråber. I modsætning hertil, forskerne fandt ud af, at hvis en fase har meget langsommere dynamik end den anden fase, selv minoritetsfasen danner komplekse netværk i stedet for dråber. For eksempel, i faseadskillelse af kolloide suspensioner (eller proteinopløsninger), den kolloidrige (eller proteinrige) fase med langsom dynamik danner en rumspændende netværksstruktur. Netværksstrukturen fortykker og gror med tiden, mens den har den bemærkelsesværdige egenskab at se ens ud over en række længdeskalaer, så de enkelte dele ligner helheden.

I tilfælde af spontan afblanding, den selvlignende egenskab får domænernes typiske størrelse til at stige som funktion af den forløbne tid, mens en magtlov overholdes. Klassiske teorier forudsiger, at væksteksponenten for domænerne bør være en tredjedel og en for dråber eller bikontinuerlige strukturer, henholdsvis. Imidlertid, til netværksdannende faseadskillelse, det er ikke blevet undersøgt, hvordan strukturen vokser, eller om der er en sådan lov.

Nu, ved hjælp af computersimuleringer i stor skala, forskere ved University of Tokyo undersøgte, hvordan den typiske størrelse af fasedomæner vokser over tid, når et system er dybt slukket. "I sådan en situation, partikelmobiliteten kan være væsentligt forskellig mellem de to faser, og så, den klassiske teori gælder ikke nødvendigvis, " siger førsteforfatter Michio Tateno. Holdet studerede faseseparationen af ​​en væske til en gas og væske og afblandingen af ​​en kolloid suspension bestående af uopløselige partikler og en væske, ved hjælp af molekylær dynamik simuleringer og hydrodynamiske beregninger, henholdsvis. De fandt ud af, at minoritetsfasen af ​​langsom dynamik universelt danner en netværksstruktur, der vokser med en væksteksponent på 1/2, og gav en teoretisk forklaring på mekanismen.

"Væsentlige forskelle i partikelmobiliteten mellem de to faser spiller en afgørende rolle i at kontrollere hastigheden af ​​afblandingsprocessen, " siger seniorforfatter Hajime Tanaka. Fordi mange enheder, som genopladelige batterier og katalysatorer, stole på skabelsen af ​​indviklede porøse netværk, denne forskning kan føre til fremskridt på disse områder. Ud over, det kan kaste lys over visse cellulære funktioner, der er blevet antaget at være styret af interne biologiske faseadskillelser.

Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .