Líquidos con su dinámica fluida, a menudo están lejos del equilibrio. Esto hace que sea particularmente difícil modelar procesos en materia blanda o tejido vivo, que contienen líquidos. Una nueva investigación del Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio ofrece un enfoque elegante para modelar la autoorganización de sistemas fuera de equilibrio.

Estos sistemas naturalmente intentan autoorganizarse en estados más estables. Suspensiones coloidales:suspensiones homogéneas de partículas no disueltas en un líquido, que son de naturaleza generalizada, tienden a separarse con el tiempo si los coloides se atraen fuertemente entre sí. Una de las principales dificultades para modelar este proceso es la compleja interacción dinámica entre coloides y líquido. Los dos componentes tienen dinámicas muy diferentes que son difíciles de unir en un solo modelo.

El estudio IIS, publicado en Materiales computacionales de la naturaleza , resuelve esto mediante un enfoque denominado dinámica de partículas de fluidos (FPD). En lugar de ser tratados como sólidos, las partículas coloidales suspendidas se simulan como gotitas de líquido altamente viscosas indeformables. Esto hace que la suspensión coloidal sea una mezcla líquida binaria, y elimina la necesidad de un tratamiento complicado de una condición límite sólido-líquido.

Para validar las simulaciones, se compararon con estudios de microscopio tridimensional de desmezcla de suspensiones coloidales reales, donde los coloides se agregan en grupos más grandes. "Los factores clave para controlar la estabilidad de la dispersión fueron el potencial intercoloide, que controla cómo interactúan las partículas, y la temperatura, ", dice el coautor del estudio, Michio Tateno." Elija estos con cuidado, y el proceso cinético de desmezcla se reproduce con mucha precisión ".

Aparte del potencial intercoloide y la temperatura, el modelo no contiene parámetros ajustables, lo que lo hace generalmente aplicable a mezclas en desequilibrio de todo tipo, y da testimonio de la corrección esencial del concepto de FPD subyacente. Sin embargo, el estudio confirmó un requisito crucial para cualquier modelo de tales sistemas:las interacciones hidrodinámicas.

"Las partículas en suspensión coloidal, aunque estén separados unos de otros, interactúan indirectamente a través de sus efectos sobre el solvente ", explica el autor principal Hajime Tanaka." Esta 'interacción hidrodinámica' está presente en nuestro modelo FDP. Sin él, por ejemplo, en modelos que descuidan el movimiento del solvente, la cinética de separación de fases es completamente incorrecta ".

Tateno y Tanaka esperan que la simplicidad y precisión de sus predicciones FPD sin parámetros abran nuevas vías para simular materia blanda y fluidos biológicos. y podría algún día mejorar el diseño asistido por computadora de materiales coloidales avanzados.