Dans une percée majeure publiée dans Communication Nature , les lois universelles qui régissent la formation des matériaux nanostructurés ont été dévoilées. Des chercheurs dirigés par le Prof. Alessio Zaccone à l'Université de Milan et par le Prof. Peter Schall à l'Université d'Amsterdam, ont démontré que la transition de phase par laquelle les nanoparticules colloïdales s'agrègent en un matériau de type solide couvrant un système (un gel colloïdal) est décrite par des lois universelles indépendantes des caractéristiques physico-chimiques particulières d'un système donné.

En particulier, grâce à une synergie étroite entre la théorie, simulations numériques et investigations expérimentales, les chercheurs montrent, pour la première fois après des décennies de débats intenses, que la transformation de phase sous-jacente (appelée gélification colloïdale) coïncide avec une transition de phase continue de second ordre qui se produit hors de l'équilibre thermodynamique. Les transitions de phase qui conduisent, par exemple., d'un gaz à un liquide ou d'un liquide à un solide sont classés comme transitions de phase du premier ordre si certaines grandeurs thermodynamiques présentent une discontinuité à travers la transition, alors qu'ils sont classés comme des transitions de phase de second ordre si ces quantités thermodynamiques changent en douceur.

Cela fait une énorme différence, car les lois mathématiques qui permettent de prédire le point de transition et ses caractéristiques, ainsi que les propriétés physiques de la nouvelle phase, sont très différents dans les deux cas. Dans le cadre des nanoparticules, la transition de gélification est particulière car les nanoparticules dans la phase sol dispersée sont en suspension dans un liquide (par exemple, eau) sous forme de particules individuelles ou de parties de "grappes" isolées les unes des autres, tandis que dans la phase de type solide ou gel, les clusters s'interconnectent en un réseau fractal. Ce réseau est apparemment "désordonné" ou chaotique, mais en réalité, présente un degré élevé de symétrie car il est fractal. La nature fractale du matériau implique que la densité des particules se désintègre dans l'espace avec la même loi de puissance mesurée à partir de chaque point du matériau et l'exposant de la loi de puissance qui régit cette désintégration est appelé la dimension fractale (d'autres exemples d'objets fractals sont des flocons de neige, réseaux fluviaux, montagnes ou la côte de la Grande-Bretagne).

Depuis des décennies, les scientifiques ont tenté de déterminer si la transformation de nanoparticules dissoutes dans un liquide en un réseau fractal est régie par une transition de phase thermodynamique spécifique. La nouvelle étude démontre que la transition de phase, avec ses exposants critiques, qui régulent les distributions de taille de cluster à la fois dans le sol et dans la phase de gel, ainsi que la dimension fractale du réseau lui-même (c'est-à-dire la structure du matériau), peut être calculé théoriquement a priori, et exactement les mêmes valeurs d'exposants ont été mesurées expérimentalement dans des systèmes colloïdaux en utilisant des techniques de microscopie confocale, et aussi les mêmes exposants ont été trouvés dans des simulations de dynamique moléculaire sur ordinateur.

Ce résultat est une avancée majeure pour la conception, développement et contrôle de matériaux nanostructurés avec une structure fractale souhaitée et quantifier et optimiser la synthèse industrielle de ces matériaux. Les applications sont multiples et vont des gels colloïdaux pour l'agriculture (pour la libération contrôlée d'agents actifs) aux gels de protéines utilisés dans la biotechnologie et l'administration de médicaments, aux matériaux caoutchouteux nanocomposites remplis de réseaux fractals de nanoparticules qui permettent une réduction des émissions polluantes dans le transport des véhicules.