Vloeistoffen, met hun vloeiende dynamiek, zijn vaak verre van evenwicht. Dit maakt het bijzonder moeilijk om processen in zachte materie of levend weefsel te modelleren, die vloeistoffen bevatten. Nieuw onderzoek van het Institute of Industrial Science (IIS) van de Universiteit van Tokyo biedt een elegante benadering voor het modelleren van de zelforganisatie van systemen die niet in evenwicht zijn.

Dergelijke systemen proberen van nature zichzelf te organiseren in stabielere toestanden. Colloïdale suspensies - homogene suspensies van onopgeloste deeltjes in een vloeistof, die wijdverbreid van aard zijn - hebben de neiging om na verloop van tijd uit elkaar te gaan als colloïden elkaar sterk aantrekken. Een grote moeilijkheid bij het modelleren van dit proces is de complexe dynamische interactie tussen colloïden en vloeistof. De twee componenten hebben een zeer verschillende dynamiek die moeilijk te verenigen is in één model.

De IIS-studie, gepubliceerd in Natuur Computational Materials , lost dit op via een benadering die vloeistofdeeltjesdynamica (FPD) wordt genoemd. In plaats van te worden behandeld als vaste stoffen, de gesuspendeerde colloïde deeltjes worden gesimuleerd als onvervormbare zeer viskeuze vloeistofdruppels. Dit maakt de colloïdale suspensie effectief tot een binair vloeibaar mengsel, en elimineert de noodzaak voor een gecompliceerde behandeling van een vast-vloeibaar randvoorwaarde.

Om de simulaties te valideren, ze werden vergeleken met 3D-microscoopstudies van ontmenging van echte colloïdale suspensies, waar de colloïden aggregeren tot grotere clusters. "De belangrijkste factoren om de dispersiestabiliteit te beheersen, waren het intercolloïdpotentieel, die bepaalt hoe deeltjes op elkaar inwerken, en de temperatuur, " zegt co-auteur van de studie Michio Tateno. "Kies die zorgvuldig, en het kinetische proces van ontmenging wordt zeer nauwkeurig gereproduceerd."

Behalve het intercolloïdpotentieel en de temperatuur, het model bevat geen instelbare parameters, waardoor het algemeen toepasbaar is op niet-evenwichtige mengsels van alle soorten, en getuigt van de essentiële juistheid van het onderliggende FPD-concept. Echter, de studie bevestigde één cruciale vereiste voor elk model van dergelijke systemen:hydrodynamische interacties.

"De deeltjes in een colloïdale suspensie, hoewel ze van elkaar gescheiden zijn, indirect interageren via hun effecten op het oplosmiddel", legt hoofdauteur Hajime Tanaka uit. "Deze 'hydrodynamische interactie' is aanwezig in ons FDP-model. Zonder dat, bijvoorbeeld in modellen die de beweging van het oplosmiddel verwaarlozen, is de fasescheidingskinetiek volledig verkeerd."

Tateno en Tanaka hopen dat de eenvoud en nauwkeurigheid van hun parametervrije FPD-voorspellingen nieuwe wegen zullen openen voor het simuleren van zachte materie en biologische vloeistoffen, en zou op een dag het computerondersteunde ontwerp van geavanceerde colloïdale materialen kunnen verbeteren.