Такие системы естественным образом пытаются самоорганизоваться в более стабильные состояния. Коллоидные суспензии – гомогенные суспензии нерастворенных частиц в жидкости, которые широко распространены в природе – имеют тенденцию со временем разделяться, если коллоиды сильно притягиваются друг к другу. Основная трудность в моделировании этого процесса – сложное динамическое взаимодействие между коллоидами и жидкостью. Эти два компонента имеют очень разную динамику, которую сложно объединить в одной модели.
Исследование IIS, опубликованное в журнале Nature Computational Materials, решает эту проблему с помощью подхода, названного Fluid Particle Dynamics (FPD). Вместо того, чтобы рассматривать как твердые частицы, взвешенные коллоидные частицы моделируются как недеформируемые капли высоковязкой жидкости. Это эффективно делает коллоидную суспензию бинарной жидкой смесью и устраняет необходимость сложной обработки граничного условия твердое тело-жидкость.
Для проверки моделирования их сравнивали с исследованиями расслоения реальных коллоидных суспензий под микроскопом в 3D, где коллоиды собираются в более крупные кластеры. «Ключевыми факторами для контроля стабильности дисперсии были межколлоидный потенциал, который контролирует взаимодействие частиц, и температура», – говорит соавтор исследования Мичио Татено. "Выбирайте их внимательно, и кинетический процесс расслоения воспроизводится очень точно."
Помимо интерколлоидного потенциала и температуры, модель не содержит настраиваемых параметров, что делает ее применимой к неравновесным смесям всех типов и свидетельствует о существенной правильности лежащей в основе концепции FPD. Однако исследование подтвердило одно важное требование к любой модели таких систем – гидродинамические взаимодействия.
«Частицы в коллоидной суспензии, хотя они и отделены друг от друга, но косвенно взаимодействуют через свое воздействие на растворитель», – объясняет ведущий автор Хадзиме Танака. «Это« гидродинамическое взаимодействие »присутствует в нашей модели FDP.
Без него – например, в моделях, не учитывающих движение растворителя – кинетика фазового разделения полностью неверна."
Татено и Танака надеются, что простота и точность их беспараметрических предсказаний FPD откроют новые возможности для моделирования мягкой материи и биологических жидкостей и однажды могут улучшить компьютерное проектирование передовых коллоидных материалов.