I ett stort genombrott publicerat i Naturkommunikation , de universella lagarna som styr bildandet av nanostrukturerade material har avslöjats. Forskare ledda av prof. Alessio Zaccone vid universitetet i Milano och av professor Peter Schall vid universitetet i Amsterdam, har visat att fasövergången genom vilken kolloidala nanopartiklar aggregerar till ett fast-liknande systemomspännande material (en kolloidal gel) beskrivs av universella lagar som är oberoende av de speciella fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ett givet system.

Särskilt, genom en nära synergi mellan teorier, numeriska simuleringar och experimentella undersökningar, forskarna visar, för första gången efter decennier av intensiv debatt, att den underliggande fastransformationen (kallad kolloidal gelning) sammanfaller med en andra ordningens kontinuerlig fasövergång som sker utanför termodynamisk jämvikt. Fasövergångar som leder, t.ex., från en gas till en vätska eller från en vätska till ett fast ämne klassificeras som första ordningens fasövergångar om vissa termodynamiska storheter uppvisar en diskontinuitet över övergången, medan de klassificeras som andra ordningens fasövergångar om dessa termodynamiska storheter ändras smidigt.

Detta gör stor skillnad, eftersom de matematiska lagarna som gör det möjligt att förutsäga övergångspunkten och dess egenskaper, såväl som den nya fasens fysikaliska egenskaper, är mycket olika i de två fallen. I samband med nanopartiklar, gelningsövergången är speciell eftersom nanopartiklarna i den dispergerade solfasen är suspenderade i en vätska (t.ex. vatten) som enskilda partiklar eller en del av "kluster" som är isolerade från varandra, medan klustren i den fasta fasen eller gelfasen ansluter till ett fraktalt nätverk. Det här nätverket är tydligen "oordnat" eller kaotiskt, men i verkligheten, uppvisar en hög grad av symmetri eftersom den är fraktal. Materialets fraktala natur innebär att densiteten av partiklar avtar i rymden med samma kraftlag som mäts från varje punkt i materialet och kraftlagsexponenten som styr detta sönderfall kallas fraktaldimensionen (andra exempel på fraktala objekt är snöflingor, flodnät, berg eller Storbritanniens kust).

I årtionden, forskare har försökt avgöra om omvandlingen av lösta nanopartiklar i en vätska till ett fraktalt nätverk styrs av en specifik termodynamisk fasövergång. Den nya studien visar att fasövergången, tillsammans med dess kritiska exponenter, som reglerar klusterstorleksfördelningarna både i solen och i gelfasen, såväl som fraktaldimensionen av själva nätverket (det vill säga, materialets struktur), kan beräknas teoretiskt a priori, och exakt samma värden på exponenter har uppmätts experimentellt i kolloidala system med konfokalmikroskopi, och även samma exponenter har hittats i simuleringar av molekylär dynamik på datorn.

Detta resultat är ett stort steg framåt för designen, utveckling och kontroll av nanostrukturerade material med önskad fraktalstruktur samt att kvantifiera och optimera den industriella syntesen av dessa material. Applikationerna är mångfaldiga och sträcker sig från kolloidala geler för jordbruk (för kontrollerad frisättning av aktiva ämnen) till proteingeler som används inom bioteknik och läkemedelsleverans, till nanokompositgummimaterial fyllda med fraktala nätverk av nanopartiklar som möjliggör en minskning av förorenande utsläpp vid fordonstransporter.