Vätskor, med sin flödande dynamik, är ofta långt ifrån jämvikt. Detta gör det särskilt svårt att modellera processer i mjuk materia eller levande vävnad, som innehåller vätskor. Ny forskning från University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) erbjuder ett elegant tillvägagångssätt för att modellera självorganisationen av system som inte är i jämvikt.

Sådana system försöker naturligtvis organisera sig till mer stabila tillstånd. Kolloidala suspensioner - homogena suspensioner av oupplösta partiklar i en vätska, som är utbredda i naturen – tenderar att separeras med tiden om kolloider drar till sig starkt med varandra. En stor svårighet att modellera denna process är den komplexa dynamiska interaktionen mellan kolloider och vätska. De två komponenterna har mycket olika dynamik som är svåra att förena i en enda modell.

IIS-studien, publicerad i Natur beräkningsmaterial , löser detta genom ett tillvägagångssätt som kallas fluidpartikel -dynamik (FPD). Istället för att behandlas som fasta ämnen, de suspenderade kolloidpartiklarna simuleras som odeformerbara mycket viskösa vätskedroppar. Detta gör effektivt den kolloidala suspensionen till en binär vätskeblandning, och avlägsnar behovet av komplicerad behandling av ett fast-vätske-gränsläge.

För att validera simuleringarna, de jämfördes med 3D-mikroskopstudier av avblandning av verkliga kolloidala suspensioner, där kolloiderna samlas i större kluster. "Nyckelfaktorerna för att kontrollera dispersionsstabiliteten var den interkolloida potentialen, som styr hur partiklar interagerar, och temperaturen, "säger studiens medförfattare Michio Tateno." Välj dem noggrant, och den kinetiska processen för avblandning återges mycket exakt. "

Förutom interkolloidpotential och temperatur, modellen innehåller inga justerbara parametrar, vilket gör det allmänt tillämpligt på icke-jämviktsblandningar av alla slag, och vittnar om den underliggande FPD -konceptets väsentliga riktighet. Dock, studien bekräftade ett avgörande krav för alla modeller av sådana system - hydrodynamiska interaktioner.

"Partiklarna i en kolloidal suspension, även om de är åtskilda från varandra, interagerar indirekt genom deras effekter på lösningsmedlet "förklarar huvudförfattaren Hajime Tanaka." Denna "hydrodynamiska interaktion" finns i vår FDP -modell. Utan det - till exempel i modeller som försummar lösningsmedlets rörelse - fassepareringskinetiken är helt fel. "

Tateno och Tanaka hoppas att enkelheten och noggrannheten i deras parameterfria FPD-förutsägelser kommer att öppna nya vägar för att simulera mjuk materia och biologiska vätskor, och kan en dag förbättra datorstödd design av avancerade kolloidala material.