Гидродинамические свойства улучшают моделирование броуновской динамики
Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета добавили влияние гидродинамики, которая включает свойства потока и сжимаемости воды, к компьютерному моделированию взвешенных заряженных частиц в электрическом поле. Они обнаружили, что это значительно улучшило предсказания окончательных структур по сравнению с обычными вычислительными моделями. Эта работа может помочь объяснить, как гидродинамические взаимодействия влияют на самоорганизацию взвешенных в растворе частиц, в том числе в биологических системах, таких как клетки. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Самосборка бинарных заряженных коллоидных частиц в постоянном электрическом поле (см. текст).
( а ) Пучковидные агрегаты, выровненные в направлении поля, наблюдаемые при моделировании BD при ϕ = 5%.
(b) Кластеры и перколяционные гели, наблюдаемые при моделировании FPD при ϕ = 5%.
Полная диаграмма состояния в зависимости от коллоидного заряда Q/e и объемной доли ϕ, полученная с помощью моделирования BD (c) и FPD (d) при общем времени наблюдения t=25 τBD .
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.248001
Моделирование броуновской динамики (БД), в котором компьютер предсказывает движение случайно рассеивающихся частиц на основе сил, которые они воздействуют друг на друга, значительно улучшило наше понимание того, как материал может самособираться из более мелких частей. Однако, чтобы сохранить управляемость вычислительных затрат, расчеты обычно должны быть упрощены. К сожалению, эти приближения иногда приводят к вводящим в заблуждение результатам.
Теперь группа исследователей из Токийского университета продемонстрировала, что упрощение расчетов за счет игнорирования влияния гидродинамики воды на частицы в водном растворителе может привести к неточным результатам. В частности, они показывают, что если частицы заряжены и испытывают внешнее электрическое поле, то окончательное расположение самособирающихся структур зависит от способности растворяющей воды течь.
Это пример коллоида, типа смеси, в которой нерастворимые частицы взвешены в жидкости. Эта система может переходить в полутвердое состояние геля, если частицы объединяются в завитки, охватывающие весь объем образца. «Коллоидная самосборка — многообещающая восходящая стратегия для создания структур более высокого порядка из элементарных строительных блоков», — говорит первый автор Цзясин Юань.
Важность учета гидродинамики можно объяснить тем, что растворитель должен затекать в зазор между частицами, чтобы они могли разделиться. Команда назвала этот эффект эффектом «обратного сжимающего потока», потому что он противоположен выдавливанию растворителя, которое происходит во время коллоидной агрегации. В результате коллоидные частицы фактически образуют кластеры с разветвленными усиками, которые могут образовывать гель.
И наоборот, простое моделирование BD неверно предсказало, что будут сформированы пучкообразные линейные агрегаты линейных цепей. «Наши результаты показывают, что включение гидродинамики позволяет нам лучше предсказать путь самосборки, что может привести к производству мягких материалов со свойствами, такими как жесткость геля, которыми можно управлять с помощью внешнего электрического поля», — объясняет старший автор Хадзиме Танака.
Эта работа может привести к разработке интеллектуальных материалов, которые реагируют на внешние условия либо во время производства, либо в ответ на изменение окружающей среды, например, мягкий гель, который затвердевает при желании.
