Liquides, avec leur dynamique fluide, sont souvent loin de l'équilibre. Cela rend particulièrement difficile la modélisation des processus dans la matière molle ou les tissus vivants, qui contiennent des liquides. De nouvelles recherches de l'Institut des sciences industrielles (IIS) de l'Université de Tokyo offrent une approche élégante pour modéliser l'auto-organisation des systèmes hors d'équilibre.

De tels systèmes tentent naturellement de s'auto-organiser dans des états plus stables. Suspensions colloïdales—suspensions homogènes de particules non dissoutes dans un liquide, qui sont répandus dans la nature - ont tendance à se séparer avec le temps si les colloïdes s'attirent fortement les uns avec les autres. Une difficulté majeure dans la modélisation de ce processus est l'interaction dynamique complexe entre les colloïdes et le liquide. Les deux composants ont des dynamiques très différentes qu'il est difficile de réunir dans un même modèle.

L'étude IIS, Publié dans Matériaux de calcul de la nature , résout ce problème grâce à une approche appelée dynamique des particules fluides (FPD). Au lieu d'être traités comme des solides, les particules colloïdales en suspension sont simulées sous forme de gouttelettes liquides hautement visqueuses indéformables. Cela fait effectivement de la suspension colloïdale un mélange liquide binaire, et élimine le besoin d'un traitement compliqué d'une condition aux limites solide-liquide.

Pour valider les simulations, ils ont été comparés à des études au microscope 3D de démixtion de vraies suspensions colloïdales, où les colloïdes s'agrègent en plus gros amas. "Les facteurs clés pour contrôler la stabilité de la dispersion étaient le potentiel intercolloïde, qui contrôle la façon dont les particules interagissent, et la température, " dit le co-auteur de l'étude Michio Tateno. " Choisissez-les avec soin, et le processus cinétique de démixtion est très fidèlement reproduit."

Outre le potentiel intercolloïde et la température, le modèle ne contient pas de paramètres réglables, ce qui la rend généralement applicable aux mélanges hors équilibre de toutes sortes, et témoigne de la justesse essentielle du concept FPD sous-jacent. Cependant, l'étude a confirmé une exigence cruciale pour tout modèle de tels systèmes :les interactions hydrodynamiques.

"Les particules dans une suspension colloïdale, bien qu'ils soient séparés les uns des autres, interagissent indirectement par leurs effets sur le solvant », explique l'auteur principal Hajime Tanaka. « Cette « interaction hydrodynamique » est présente dans notre modèle FDP. Sans cela, par exemple, dans les modèles négligeant le mouvement du solvant, les cinétiques de séparation de phases sont complètement fausses."

Tateno et Tanaka espèrent que la simplicité et la précision de leurs prédictions FPD sans paramètre ouvriront de nouvelles voies pour simuler la matière molle et les fluides biologiques, et pourrait un jour améliorer la conception assistée par ordinateur de matériaux colloïdaux avancés.