En un gran avance publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Se han desvelado las leyes universales que gobiernan la formación de materiales nanoestructurados. Investigadores dirigidos por el profesor Alessio Zaccone en la Universidad de Milán y por el profesor Peter Schall en la Universidad de Amsterdam, han demostrado que la transición de fase a través de la cual las nanopartículas coloidales se agregan en un material que abarca un sistema similar a un sólido (un gel coloidal) se describe mediante leyes universales que son independientes de las características físico-químicas peculiares de un sistema dado.

En particular, mediante una estrecha sinergia entre la teoría, simulaciones numéricas e investigaciones experimentales, los investigadores muestran, por primera vez después de décadas de intenso debate, que la transformación de fase subyacente (llamada gelificación coloidal) coincide con una transición de fase continua de segundo orden que se produce fuera del equilibrio termodinámico. Transiciones de fase que conducen, p.ej., de un gas a un líquido o de un líquido a un sólido se clasifican como transiciones de fase de primer orden si ciertas cantidades termodinámicas presentan una discontinuidad a lo largo de la transición, mientras que se clasifican como transiciones de fase de segundo orden si esas cantidades termodinámicas cambian suavemente.

Esto hace una diferencia enorme, porque las leyes matemáticas que permiten predecir el punto de transición y sus características, así como las propiedades físicas de la nueva fase, son muy diferentes en los dos casos. En el contexto de las nanopartículas, la transición de gelificación es peculiar porque las nanopartículas en la fase de sol disperso están suspendidas en un líquido (por ejemplo, agua) como partículas individuales o como parte de "grupos" que están aislados entre sí, mientras que en la fase sólida o de gel, los grupos se interconectan en una red fractal. Esta red aparentemente está "desordenada" o caótica, Pero en la realidad, presenta un alto grado de simetría porque es fractal. La naturaleza fractal del material implica que la densidad de partículas se desintegra en el espacio con la misma ley de potencia medida desde cada punto del material y el exponente de la ley de potencia que gobierna esta desintegración se llama dimensión fractal (otros ejemplos de objetos fractales son copos de nieve, redes fluviales, montañas o la costa de Gran Bretaña).

Por décadas, Los científicos han tratado de determinar si la transformación de nanopartículas disueltas en un líquido en una red fractal se rige por una transición de fase termodinámica específica. El nuevo estudio demuestra que la transición de fase, junto con sus exponentes críticos, que regulan las distribuciones del tamaño de los racimos tanto en el sol como en la fase de gel, así como la dimensión fractal de la propia red (es decir, la estructura del material), se puede calcular teóricamente a priori, y exactamente los mismos valores de exponentes se han medido experimentalmente en sistemas coloidales utilizando técnicas de microscopía confocal, y también se han encontrado los mismos exponentes en simulaciones de dinámica molecular en la computadora.

Este resultado es un gran paso adelante para el diseño, desarrollo y control de materiales nanoestructurados con una estructura fractal deseada y para cuantificar y optimizar la síntesis industrial de estos materiales. Las aplicaciones son múltiples y van desde geles coloidales para la agricultura (para la liberación controlada de agentes activos) hasta geles de proteínas utilizados en biotecnología y administración de fármacos, a materiales de caucho nanocompuestos rellenos de redes fractales de nanopartículas que permiten reducir las emisiones contaminantes en el transporte de vehículos.