Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont mené des simulations en considérant et en négligeant les interactions hydrodynamiques pour déterminer si ces interactions provoquent ou non l'important écart observé entre les taux de nucléation expérimentaux et calculés pour les systèmes colloïdaux à sphère dure, qui sont utilisées pour modéliser la cristallisation. L'équipe a obtenu des taux de nucléation similaires à partir des deux simulations, précisant que les interactions hydrodynamiques ne peuvent pas expliquer le décalage observé entre les taux de nucléation réels et simulés pour les systèmes de sphère dure.

La cristallisation est le phénomène physique de transformation de molécules désordonnées en phase liquide ou gazeuse en un cristal solide hautement ordonné en deux étapes :la nucléation et la croissance. La cristallisation est très importante dans les matériaux et les sciences naturelles car elle se produit dans une large gamme de matériaux, y compris les métaux, composés organiques, et des molécules biologiques, il est donc souhaitable de bien comprendre ce processus.

Les colloïdes constitués de sphères dures en suspension dans un liquide sont souvent utilisés comme système modèle pour étudier la cristallisation. Pendant de nombreuses années, un écart important allant jusqu'à dix ordres de grandeur a été observé entre les taux de nucléation simulés par ordinateur et ceux mesurés expérimentalement des colloïdes de sphère dure. Cet écart s'explique typiquement par les simulations ne prenant pas en compte les interactions hydrodynamiques - les interactions entre les molécules de solvant -. Chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo, l'Université d'Oxford, et l'Université Sapienza s'est récemment associée pour explorer plus avant cette explication de l'écart entre les taux de nucléation réels et calculés.

La collaboration a d'abord développé un modèle colloïdal de sphère dure qui pourrait simuler de manière fiable le comportement thermodynamique expérimental de systèmes réels de sphère dure. Prochain, ils ont mené des simulations de cristallisation du système modèle en considérant et en négligeant les interactions hydrodynamiques pour clarifier l'effet de ces interactions sur le comportement de cristallisation.

"Nous avons initialement conçu un modèle de simulation qui reproduisait avec précision la thermodynamique réelle des systèmes à sphère dure, ", déclare l'auteur principal de l'étude, Michio Tateno. "Cela a confirmé la fiabilité et la pertinence du modèle pour une utilisation dans d'autres simulations."

Les résultats de simulation obtenus en utilisant le modèle développé en négligeant et en considérant les interactions hydrodynamiques ont révélé que les interactions hydrodynamiques n'affectaient pas le taux de nucléation, ce qui était contraire au consensus qui prévalait. Les tracés du taux de nucléation par rapport à la proportion de sphères dures dans le système étaient les mêmes pour les calculs avec et sans interactions hydrodynamiques et concordaient également avec les résultats rapportés par un autre groupe de recherche.

"Nous avons effectué des calculs à l'aide du modèle développé avec et sans prise en compte des interactions hydrodynamiques, " explique l'auteur principal Hajime Tanaka. " Les taux calculés de nucléation des cristaux étaient similaires dans les deux cas, ce qui nous a conduit à conclure que les interactions hydrodynamiques n'expliquent pas les taux de nucléation extrêmement différents obtenus expérimentalement et théoriquement. »

Les résultats de l'équipe de recherche ont clairement illustré que les interactions hydrodynamiques ne sont pas à l'origine de l'écart important entre les taux de nucléation expérimentaux et simulés. Leurs résultats améliorent notre compréhension du comportement de cristallisation mais laissent l'origine de cette grande divergence inexpliquée.

L'article "Influence des interactions hydrodynamiques sur la cristallisation colloïdale" a été publié dans Lettres d'examen physique .