Onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo onderzochten het mechanisme van fasescheiding in de twee fasen met zeer verschillende deeltjesmobiliteiten met behulp van computersimulaties. Ze ontdekten dat een langzame dynamiek van complexe verbonden netwerken de snelheid van ontmenging bepaalt, die kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe functionele poreuze materialen, zoals lithium-ionbatterijen.

Volgens het oude gezegde, olie en water gaan niet samen. Als je het toch probeert, je zult het fascinerende proces van fasescheiding zien, waarin de twee niet-mengbare vloeistoffen spontaan "ontmengen". In dit geval, de minderheidsfase vormt altijd druppeltjes. In tegenstelling hiermee, de onderzoekers ontdekten dat als de ene fase een veel langzamere dynamiek heeft dan de andere fase, zelfs de minderheidsfase vormt complexe netwerken in plaats van druppels. Bijvoorbeeld, bij fasescheiding van colloïdale suspensies (of eiwitoplossingen), de colloïde-rijke (of eiwitrijke) fase met langzame dynamiek vormt een ruimte-overspannende netwerkstructuur. De netwerkstructuur wordt dikker en grover met de tijd, terwijl het de opmerkelijke eigenschap heeft om er hetzelfde uit te zien over een reeks lengteschalen, zodat de afzonderlijke delen op het geheel lijken.

In het geval van spontane ontmenging, de zelfvergelijkende eigenschap zorgt ervoor dat de typische grootte van de domeinen toeneemt als een functie van de verstreken tijd bij het gehoorzamen aan een machtswet. Klassieke theorieën voorspellen dat de groei-exponent van de domeinen een derde zou moeten zijn en één voor druppel- of bicontinue structuren, respectievelijk. Echter, voor netwerkvormende fasescheiding, er is niet onderzocht hoe de structuur groeit en of er zo'n wet is.

Nutsvoorzieningen, met behulp van grootschalige computersimulaties, onderzoekers van de Universiteit van Tokyo bestudeerden hoe de typische grootte van fasedomeinen in de loop van de tijd groeit wanneer een systeem diep is uitgedoofd. "In zo een situatie, de deeltjesmobiliteit kan aanzienlijk verschillen tussen de twee fasen, en dan, de klassieke theorie is niet noodzakelijk van toepassing, " zegt eerste auteur Michio Tateno. Het team bestudeerde de fasescheiding van een vloeistof in een gas en een vloeistof en het ontmengen van een colloïdale suspensie bestaande uit onoplosbare deeltjes en een vloeistof, met behulp van moleculaire dynamische simulaties en hydrodynamische berekeningen, respectievelijk. Ze ontdekten dat de minderheidsfase van langzame dynamiek universeel een netwerkstructuur vormt die groeit met een groei-exponent van 1/2, en gaf een theoretische verklaring voor het mechanisme.

"Aanzienlijke verschillen in de deeltjesmobiliteit tussen de twee fasen spelen een cruciale rol bij het beheersen van de snelheid van het ontmengingsproces, " zegt senior auteur Hajime Tanaka. Omdat veel apparaten, zoals oplaadbare batterijen en katalysatoren, vertrouwen op het creëren van ingewikkelde poreuze netwerken, dit onderzoek kan leiden tot vooruitgang op deze gebieden. In aanvulling, het kan licht werpen op bepaalde cellulaire functies waarvan verondersteld wordt dat ze worden gecontroleerd door interne biologische fasescheidingen.

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .