Un nuevo modelo desarrollado por científicos del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización (MPI-DS) amplía la teoría de la separación de fases elásticas hacia estructuras nanoscópicas. Estos patrones son frecuentes en los sistemas biológicos y también se utilizan en nanoingeniería para crear colores estructurales. Con sus nuevos conocimientos, los científicos pueden predecir la escala de longitud de los patrones nanoscópicos y así controlarlos durante la producción. El modelo está publicado en la revista Physical Review X. .
En los sistemas biológicos se encuentran patrones estructurales bien definidos por todas partes. Un ejemplo bien conocido es la coloración de las plumas de las aves y las alas de las mariposas, que depende de la disposición regular de estructuras nanoscópicas, lo que se conoce como color estructural. Estos patrones a menudo se forman por separación de fases.
Los diferentes componentes se separan entre sí, de manera similar a como el aceite se separa del agua. Sin embargo, aún no está claro cómo la naturaleza crea patrones bien definidos que conducen a esos colores. Generalmente, fabricar materiales sintéticos en esta escala de longitud submicrónica es un desafío común.
Una forma de controlar las estructuras creadas por separación de fases se basa en la elasticidad:las deformaciones de los materiales están bien descritas por la teoría de la elasticidad a escalas macroscópicas, por ejemplo, para explicar cómo se deforma un trozo de caucho bajo el efecto de una fuerza. Sin embargo, a escala nanoscópica, los materiales ya no son homogéneos y la descripción macroscópica del material es insuficiente.
En cambio, lo que importa es la disposición real de las moléculas. Además, deformar cualquier material requiere energía, lo que impide grandes deformaciones. Por tanto, las gotas individuales formadas por separación de fases no pueden crecer indefinidamente. Dependiendo de su disposición, puede surgir un patrón regular.
Los científicos dirigidos por David Zwicker, jefe del grupo de investigación Max Planck "Teoría de los fluidos biológicos" en el MPI-DS, han desarrollado un modelo para abordar este aspecto. Propusieron una teoría basada en la elasticidad no local para predecir la formación de patrones mediante separación de fases.
"Con nuestro nuevo modelo ahora podemos tener en cuenta aspectos adicionales relevantes para describir el sistema", afirma Zwicker. "Modelar todos los componentes moleculares con detalle atómico excedería la potencia computacional. En cambio, ampliamos la teoría existente hacia estructuras más pequeñas comparables al tamaño de la malla", explica.
La nueva teoría predice cómo las propiedades del material afectan el patrón formado. Por lo tanto, puede ayudar a los ingenieros a crear estructuras nanoscópicas específicas, siguiendo principios físicos de autoorganización que la naturaleza explota.
Más información: Yicheng Qiang et al, La elasticidad no local produce patrones de equilibrio en sistemas de separación de fases, Revisión física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021009
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
