Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio realizaron simulaciones considerando y descuidando las interacciones hidrodinámicas para determinar si estas interacciones causan o no la gran discrepancia observada entre las tasas de nucleación experimentales y calculadas para sistemas coloidales de esfera dura. que se utilizan para modelar la cristalización. El equipo obtuvo tasas de nucleación similares de ambas simulaciones, aclarando que las interacciones hidrodinámicas no pueden explicar el desajuste observado entre las tasas de nucleación reales y simuladas para los sistemas de esfera dura.

La cristalización es el fenómeno físico de transformación de moléculas desordenadas en fase líquida o gaseosa en un cristal sólido altamente ordenado a través de dos etapas:nucleación y crecimiento. La cristalización es muy importante en materiales y ciencias naturales porque ocurre en una amplia gama de materiales, incluidos los metales, compuestos orgánicos, y moléculas biológicas, por lo que es deseable comprender de manera integral este proceso.

Los coloides que consisten en esferas duras suspendidas en un líquido se utilizan a menudo como un sistema modelo para estudiar la cristalización. Durante muchos años, Se ha observado una gran discrepancia de hasta diez órdenes de magnitud entre las tasas de nucleación simuladas computacionalmente y medidas experimentalmente de coloides de esfera dura. Esta discrepancia se ha explicado normalmente porque las simulaciones no tienen en cuenta las interacciones hidrodinámicas (las interacciones entre moléculas de disolvente). Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio, la Universidad de Oxford, y la Universidad Sapienza se unieron recientemente para explorar más a fondo esta explicación de la discrepancia entre las tasas de nucleación reales y calculadas.

La colaboración desarrolló primero un modelo coloidal de esfera dura que podría simular de manera confiable el comportamiento termodinámico experimental de sistemas reales de esfera dura. Próximo, realizaron simulaciones de cristalización del sistema modelo considerando y despreciando interacciones hidrodinámicas para aclarar el efecto de estas interacciones en el comportamiento de cristalización.

"Inicialmente diseñamos un modelo de simulación que reproducía con precisión la termodinámica real de los sistemas de esfera dura, ", dice el autor principal del estudio, Michio Tateno. Esto confirmó la confiabilidad e idoneidad del modelo para su uso en simulaciones posteriores".

Los resultados de la simulación obtenidos utilizando el modelo desarrollado ignorando y considerando las interacciones hidrodinámicas revelaron que las interacciones hidrodinámicas no afectaron la tasa de nucleación, lo cual era contrario al consenso imperante. Los gráficos de la tasa de nucleación frente a la proporción de esferas duras en el sistema fueron los mismos para los cálculos con y sin interacciones hidrodinámicas y también coincidieron con los resultados informados por otro grupo de investigación.

"Realizamos cálculos utilizando el modelo desarrollado con y sin considerar las interacciones hidrodinámicas, "explica el autor principal Hajime Tanaka." Las tasas calculadas de nucleación de cristales fueron similares en ambos casos, lo que nos llevó a concluir que las interacciones hidrodinámicas no explican las tasas de nucleación enormemente diferentes obtenidas experimental y teóricamente ".

Los hallazgos del equipo de investigación ilustraron claramente que las interacciones hidrodinámicas no son el origen de la gran discrepancia entre las tasas de nucleación experimentales y simuladas. Sus resultados amplían nuestra comprensión del comportamiento de la cristalización, pero dejan sin explicar el origen de esta gran discrepancia.

El artículo "Influencia de las interacciones hidrodinámicas en la cristalización coloidal" se publicó en Cartas de revisión física .