Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio investigaron el mecanismo de separación de fases en las dos fases con movilidades de partículas muy diferentes utilizando simulaciones por computadora. Descubrieron que la dinámica lenta de las redes conectadas complejas controla la velocidad de desmezcla, que pueden ayudar en el diseño de nuevos materiales porosos funcionales, como las baterías de iones de litio.

Según el viejo adagio, el aceite y el agua no se mezclan. Si intentas hacerlo de todos modos, Verás el fascinante proceso de separación de fases, en el que los dos líquidos inmiscibles se "desmezclan" espontáneamente. En este caso, la fase minoritaria siempre forma gotitas. Al contrario de esto, los investigadores encontraron que si una fase tiene una dinámica mucho más lenta que la otra fase, incluso la fase minoritaria forma redes complejas en lugar de gotitas. Por ejemplo, en la separación de fases de suspensiones coloidales (o soluciones de proteínas), la fase rica en coloides (o rica en proteínas) con dinámica lenta forma una estructura de red que abarca el espacio. La estructura de la red se engrosa y se vuelve más gruesa con el tiempo, mientras que tiene la notable propiedad de parecer similar en un rango de escalas de longitud. por lo que las partes individuales se parecen al todo.

En el caso de desmezcla espontánea, la propiedad auto-similar hace que el tamaño típico de los dominios aumente en función del tiempo transcurrido mientras se obedece a una ley de potencia. Las teorías clásicas predicen que el exponente de crecimiento de los dominios debe ser un tercio y uno para estructuras de gotas o bicontinuas, respectivamente. Sin embargo, para la separación de fases de formación de redes, no se ha explorado cómo crece la estructura o si existe tal ley.

Ahora, utilizando simulaciones por ordenador a gran escala, Los investigadores de la Universidad de Tokio estudiaron cómo el tamaño típico de los dominios de fase crece con el tiempo cuando un sistema se apaga profundamente. "En tal situación, la movilidad de las partículas puede ser significativamente diferente entre las dos fases, y luego, la teoría clásica no se aplica necesariamente, "dice el primer autor Michio Tateno. El equipo estudió la separación de fases de un fluido en gas y líquido y la desmezcla de una suspensión coloidal que consta de partículas insolubles y un líquido, utilizando simulaciones de dinámica molecular y cálculos hidrodinámicos, respectivamente. Descubrieron que la fase minoritaria de la dinámica lenta forma universalmente una estructura de red que crece con un exponente de crecimiento de 1/2, y proporcionó una explicación teórica del mecanismo.

"Las diferencias significativas en la movilidad de las partículas entre las dos fases juegan un papel fundamental en el control de la velocidad del proceso de desmezcla, ", dice el autor principal Hajime Tanaka. Debido a que muchos dispositivos, como baterías recargables y catalizadores, confiar en la creación de intrincadas redes porosas, esta investigación puede conducir a avances en estas áreas. Además, puede arrojar luz sobre ciertas funciones celulares que se ha hipotetizado que están controladas por separaciones de fases biológicas internas.

El estudio se publica en Comunicaciones de la naturaleza .