En ny undersøgelse afslører mekanismen for nanopartikelgeleringens overgang

I et stort gennembrud offentliggjort i Naturkommunikation , de universelle love, der styrer dannelsen af ​​nanostrukturerede materialer, er blevet afsløret. Forskere ledet af prof. Alessio Zaccone ved University of Milan og af professor Peter Schall ved University of Amsterdam, har demonstreret, at faseovergangen, hvorigennem kolloidale nanopartikler aggregerer til et fastlignende systemspændende materiale (en kolloid gel), er beskrevet af universelle love, der er uafhængige af de særlige fysisk-kemiske egenskaber ved et givet system.

I særdeleshed, ved hjælp af en tæt synergi mellem teori, numeriske simuleringer og eksperimentelle undersøgelser, forskerne viser, for første gang efter årtiers intens debat, at den underliggende fasetransformation (kaldet kolloid gelering) falder sammen med en andenordens kontinuerlig faseovergang, der opstår ud af termodynamisk ligevægt. Faseovergange, der fører, f.eks., fra en gas til en væske eller fra en væske til et faststof klassificeres som førsteordens faseovergange, hvis visse termodynamiske størrelser udviser en diskontinuitet på tværs af overgangen, der henviser til, at de klassificeres som andenordens faseovergange, hvis disse termodynamiske størrelser ændres jævnt.

Det gør en kæmpe forskel, fordi de matematiske love, der gør det muligt at forudsige overgangspunktet og dets egenskaber, såvel som de fysiske egenskaber ved den nye fase, er meget forskellige i de to sager. I forbindelse med nanopartikler, geleringsovergangen er ejendommelig, fordi nanopartiklerne i den dispergerede solfase er suspenderet i en væske (f.eks. vand) som enkelte partikler eller en del af "klynger", der er isoleret fra hinanden, der henviser til, at klyngerne i den fastlignende eller gel-fase forbinder sig til et fraktalt netværk. Dette netværk er tilsyneladende "uordentligt" eller kaotisk, men i virkeligheden, præsenterer en høj grad af symmetri, fordi den er fraktal. Materialets fraktale natur indebærer, at tætheden af ​​partikler henfalder i rummet med den samme kraftlov som målt fra hvert punkt i materialet og den kraftlovseksponent, der styrer dette forfald, kaldes fraktaldimensionen (andre eksempler på fraktale objekter er snefnug, flodnetværk, bjerge eller Storbritanniens kyst).

I årtier, forskere har forsøgt at afgøre, om omdannelsen af ​​opløste nanopartikler i en væske til et fraktalt netværk er styret af en specifik termodynamisk faseovergang. Den nye undersøgelse viser, at faseovergangen, sammen med sine kritiske eksponenter, som regulerer klyngestørrelsesfordelingerne både i sol- og gelfasen, såvel som fraktaldimensionen af ​​selve netværket (det vil sige materialets struktur), kan beregnes teoretisk a priori, og nøjagtigt de samme værdier af eksponenter er blevet målt eksperimentelt i kolloide systemer ved hjælp af konfokalmikroskopiteknikker, og også de samme eksponenter er blevet fundet i molekylære dynamiksimuleringer på computeren.

Dette resultat er et stort skridt fremad for designet, udvikling og kontrol af nanostrukturerede materialer med en ønsket fraktalstruktur og for at kvantificere og optimere den industrielle syntese af disse materialer. Ansøgningerne er mangfoldige og spænder fra kolloide geler til landbrug (til kontrolleret frigivelse af aktive midler) til proteingeler, der anvendes i bioteknologi og lægemiddeltilførsel, til nanokompositgummimaterialer fyldt med nanopartikler fraktale netværk, der muliggør en reduktion af forurenende emissioner i køretøjstransport.