Une nouvelle étude dévoile le mécanisme de la transition de gélification des nanoparticules

Dans une percée majeure publiée dans Communications de la nature, les lois universelles qui régissent la formation des matériaux nanostructurés ont été dévoilées. Des chercheurs dirigés par le professeur Alessio Zaccone de l’Université de Milan et par le professeur Peter Schall de l’Université d’Amsterdam ont démontré que la transition de phase à travers laquelle les nanoparticules colloïdales s’agrègent en un matériau couvrant un système de type solide (un gel colloïdal) est décrite par lois universelles indépendantes des caractéristiques physico-chimiques particulières d’un système donné.

En particulier, au moyen d’une synergie étroite entre théorie, simulations numériques et investigations expérimentales, les chercheurs montrent, pour la première fois après des décennies de débats intenses, que la transformation de phase sous-jacente (appelée gélification colloïdale) coïncide avec une phase continue de second ordre transition qui se produit hors de l’équilibre thermodynamique. Les transitions de phase qui conduisent, par exemple, d’un gaz à un liquide ou d’un liquide à un solide sont classées comme transitions de phase de premier ordre si certaines quantités thermodynamiques présentent une discontinuité à travers la transition, alors qu’elles sont classées comme transitions de phase de second ordre si ces quantités thermodynamiques changent en douceur.

Cela fait une énorme différence, car les lois mathématiques qui permettent de prédire le point de transition et ses caractéristiques, ainsi que les propriétés physiques de la nouvelle phase, sont très différentes dans les deux cas. Dans le contexte des nanoparticules, la transition de gélification est particulière parce que les nanoparticules dans la phase sol dispersée sont suspendues dans un liquide (par exemple, l’eau) sous forme de particules uniques ou d’une partie de « clusters » qui sont isolés les uns des autres, alors que dans le solide- comme ou en phase de gel, les grappes s’interconnectent en un réseau fractal. Ce réseau est apparemment « désordonné » ou chaotique, mais présente en réalité un haut degré de symétrie car il est fractal. La nature fractale du matériau implique que la densité des particules se désintègre dans l’espace avec la même loi de puissance mesurée à partir de chaque point du matériau et l’exposant de loi de puissance qui régit cette désintégration est appelé la dimension fractale (autres exemples d’objets fractaux sont des flocons de neige, des réseaux fluviaux, des montagnes ou des côtes britanniques).

Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de déterminer si la transformation des nanoparticules dissoutes dans un liquide en un réseau fractal est régie par une transition de phase thermodynamique spécifique. La nouvelle étude démontre que la transition de phase, ainsi que ses exposants critiques, qui régulent les distributions de taille de cluster à la fois dans le sol et dans la phase de gel, ainsi que la dimension fractale du réseau lui-même (c’est-à-dire la structure du matériau ), peuvent être calculées théoriquement a priori, et exactement les mêmes valeurs d’exposants ont été mesurées expérimentalement dans des systèmes colloïdaux en utilisant des techniques de microscopie confocale, et les mêmes exposants ont également été trouvés dans des simulations de dynamique moléculaire sur ordinateur.

Ce résultat est une avancée majeure pour la conception, le développement et le contrôle de matériaux nanostructurés avec une structure fractale souhaitée et pour quantifier et optimiser la synthèse industrielle de ces matériaux. Les applications sont multiples et vont des gels colloïdaux pour l’agriculture (pour la libération contrôlée d’agents actifs) aux gels protéiques utilisés dans la biotechnologie et l’administration de médicaments, aux matériaux en caoutchouc nanocomposite remplis de réseaux fractals de nanoparticules qui permettent une réduction des émissions polluantes dans le transport de véhicules .

Fourni par l’Université de Milan