流体动力学特性改进了布朗动力学模拟

东京大学工业科学研究所的研究人员将流体动力学的影响(包括水的流动和压缩特性)添加到电场中悬浮带电粒子的计算机模拟中。

他们发现，与传统的计算模型相比，这极大​​地改善了最终结构的预测。这项工作可能有助于解释流体动力学相互作用如何影响悬浮在溶液中的粒子的自组织，包括在细胞等生物系统中。

布朗动力学(BD)模拟，其中计算机根据粒子相互施加的力预测随机扩散粒子的运动，极大地提高了我们对材料如何从较小的部分自组装的理解。然而，为了保持计算成本可控，通常必须简化计算。不幸的是，这些近似值有时会产生误导性的结果。

现在，东京大学的一组研究人员证明，通过忽略水性溶剂中颗粒的水流体动力学影响来简化计算可能会导致结果不准确。特别是，他们表明，如果粒子带电并经历外部电场，自组装结构的最终排列取决于溶剂水的流动能力。

这是胶体的一个例子，胶体是一种混合物，其中不溶性颗粒悬浮在液体中。如果颗粒聚集形成跨越整个样品体积的卷须，则该系统可以呈现半固态凝胶状态。“胶体自组装是一种很有前途的自下而上策略，可以从基本构建块创建高阶结构，”第一作者JiaxingYuan说。

考虑流体动力学的重要性可以通过以下事实来解释：溶剂必须流入颗粒之间的间隙以允许它们分离。该团队将这种效应称为“逆向挤压流”效应，因为它与胶体聚集过程中发生的溶剂挤出相反。结果是胶体颗粒实际上形成了带有分支卷须的簇，可以形成凝胶。

相反，简单的BD模拟错误地预测将形成线性链的束状线性聚集体。“我们的研究结果表明，包括流体动力学在内，我们可以更好地预测自组装的途径，这可能会导致生产具有凝胶刚度等特性的软材料，这些特性可以通过外部电场进行控制，”资深作者解释说。,田中元.

这项工作可能会导致智能材料的开发，这些材料可以在制造过程中或响应不断变化的环境来响应外部条件，例如在需要时变硬的软凝胶。