Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont étudié le mécanisme de séparation de phases en deux phases avec des mobilités de particules très différentes à l'aide de simulations informatiques. Ils ont découvert que la dynamique lente des réseaux connectés complexes contrôle le taux de démixtion, qui peut aider à la conception de nouveaux matériaux poreux fonctionnels, comme les batteries lithium-ion.

Selon le vieil adage, l'huile et l'eau ne se mélangent pas. Si vous essayez de le faire quand même, vous verrez le processus fascinant de la séparation de phases, dans laquelle les deux liquides non miscibles "se démêlent" spontanément. Dans ce cas, la phase minoritaire forme toujours des gouttelettes. Contrairement à cela, les chercheurs ont découvert que si une phase a une dynamique beaucoup plus lente que l'autre phase, même la phase minoritaire forme des réseaux complexes au lieu de gouttelettes. Par exemple, en séparation de phases de suspensions colloïdales (ou solutions protéiques), la phase riche en colloïdes (ou riche en protéines) avec une dynamique lente forme une structure de réseau couvrant l'espace. La structure du réseau s'épaissit et se grossit avec le temps tout en ayant la propriété remarquable de se ressembler sur une gamme d'échelles de longueur, de sorte que les parties individuelles ressemblent au tout.

En cas de démixtion spontanée, la propriété auto-similaire fait que la taille typique des domaines augmente en fonction du temps écoulé tout en obéissant à une loi de puissance. Les théories classiques prédisent que l'exposant de croissance des domaines devrait être d'un tiers et d'un pour les structures en gouttelettes ou bicontinues, respectivement. Cependant, pour la séparation de phases formant un réseau, il n'a pas été exploré comment la structure se développe ou s'il existe une telle loi.

Maintenant, en utilisant des simulations informatiques à grande échelle, des chercheurs de l'Université de Tokyo ont étudié comment la taille typique des domaines de phase augmente au fil du temps lorsqu'un système est profondément trempé. "Dans une telle situation, la mobilité des particules peut être significativement différente entre les deux phases, puis, la théorie classique ne s'applique pas nécessairement, " dit le premier auteur Michio Tateno. L'équipe a étudié la séparation de phase d'un fluide en un gaz et un liquide et la démixtion d'une suspension colloïdale constituée de particules insolubles et d'un liquide, en utilisant des simulations de dynamique moléculaire et des calculs hydrodynamiques, respectivement. Ils ont constaté que la phase minoritaire de la dynamique lente forme universellement une structure de réseau qui se développe avec un exposant de croissance de 1/2, et a fourni une explication théorique du mécanisme.

« Des différences significatives dans la mobilité des particules entre les deux phases jouent un rôle essentiel dans le contrôle de la vitesse du processus de démixtion, " dit l'auteur principal Hajime Tanaka. Parce que de nombreux appareils, comme les batteries rechargeables et les catalyseurs, s'appuyer sur la création de réseaux poreux complexes, cette recherche peut conduire à des avancées dans ces domaines. En outre, il peut faire la lumière sur certaines fonctions cellulaires qui ont été supposées être contrôlées par des séparations de phases biologiques internes.

L'étude est publiée dans Communication Nature .