In een grote doorbraak gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de universele wetten die de vorming van nanogestructureerde materialen beheersen, zijn onthuld. Onderzoekers onder leiding van Prof. Alessio Zaccone aan de Universiteit van Milaan en door Prof. Peter Schall aan de Universiteit van Amsterdam, hebben aangetoond dat de faseovergang waardoor colloïdale nanodeeltjes aggregeren tot een vast-achtig systeemoverspannend materiaal (een colloïdale gel) wordt beschreven door universele wetten die onafhankelijk zijn van de bijzondere fysisch-chemische kenmerken van een bepaald systeem.

Vooral, door een nauwe synergie tussen theorie, numerieke simulaties en experimenteel onderzoek, de onderzoekers laten zien, voor het eerst na decennia van intens debat, dat de onderliggende fasetransformatie (colloïdale gelering genoemd) samenvalt met een continue faseovergang van de tweede orde die optreedt buiten het thermodynamisch evenwicht. Faseovergangen die leiden, bijv. van een gas naar een vloeistof of van een vloeistof naar een vaste stof worden geclassificeerd als eerste-orde faseovergangen als bepaalde thermodynamische grootheden een discontinuïteit vertonen over de overgang, terwijl ze worden geclassificeerd als faseovergangen van de tweede orde als die thermodynamische grootheden soepel veranderen.

Dit maakt een enorm verschil, omdat de wiskundige wetten die het mogelijk maken om het overgangspunt en zijn kenmerken te voorspellen, evenals de fysieke eigenschappen van de nieuwe fase, zijn in beide gevallen zeer verschillend. In de context van nanodeeltjes, de geleringsovergang is eigenaardig omdat de nanodeeltjes in de gedispergeerde sol-fase in een vloeistof gesuspendeerd zijn (bijv. water) als afzonderlijke deeltjes of deel van "clusters" die van elkaar zijn geïsoleerd, terwijl in de vaste-achtige of gelfase de clusters onderling verbonden zijn tot een fractaal netwerk. Dit netwerk is blijkbaar "ontregeld" of chaotisch, maar in werkelijkheid, vertoont een hoge mate van symmetrie omdat het fractaal is. De fractale aard van het materiaal houdt in dat de dichtheid van deeltjes in de ruimte vervalt met dezelfde machtswet zoals gemeten vanaf elk punt in het materiaal en de machtswetexponent die dit verval regelt, wordt de fractale dimensie genoemd (andere voorbeelden van fractale objecten zijn sneeuwvlokken, riviernetwerken, bergen of de kust van Groot-Brittannië).

Al decenia, wetenschappers hebben geprobeerd te bepalen of de transformatie van opgeloste nanodeeltjes in een vloeistof in een fractaal netwerk wordt bepaald door een specifieke thermodynamische faseovergang. De nieuwe studie toont aan dat de faseovergang, samen met zijn kritische exponenten, die de clustergrootteverdelingen regelen, zowel in de sol- als in de gelfase, evenals de fractale dimensie van het netwerk zelf (dat wil zeggen, de structuur van het materiaal), kan theoretisch a priori worden berekend, en exact dezelfde waarden van exponenten zijn experimenteel gemeten in colloïdale systemen met behulp van confocale microscopietechnieken, en dezelfde exponenten zijn ook gevonden in simulaties van moleculaire dynamica op de computer.

Dit resultaat is een grote stap voorwaarts voor het ontwerp, ontwikkeling en controle van nanogestructureerde materialen met een gewenste fractale structuur en het kwantificeren en optimaliseren van de industriële synthese van deze materialen. De toepassingen zijn talrijk en variëren van colloïdale gels voor de landbouw (voor de gecontroleerde afgifte van actieve stoffen) tot eiwitgels die worden gebruikt in de biotechnologie en medicijnafgifte, tot nanocomposietrubbermaterialen gevuld met nanodeeltjes fractal-netwerken die een vermindering van vervuilende emissies in het voertuigtransport mogelijk maken.