p Em um grande avanço publicado em Nature Communications , as leis universais que governam a formação de materiais nanoestruturados foram reveladas. Pesquisadores liderados pelo Prof. Alessio Zaccone da University of Milan e pelo Prof. Peter Schall da University of Amsterdam, demonstraram que a transição de fase através da qual as nanopartículas coloidais se agregam em um material que abrange o sistema semelhante a um sólido (um gel coloidal) é descrita por leis universais que são independentes das características físico-químicas peculiares de um determinado sistema. p Em particular, por meio de uma sinergia estreita entre a teoria, simulações numéricas e investigações experimentais, os pesquisadores mostram, pela primeira vez após décadas de intenso debate, que a transformação de fase subjacente (chamada de gelificação coloidal) coincide com uma transição de fase contínua de segunda ordem que ocorre fora do equilíbrio termodinâmico. Transições de fase que levam, por exemplo., de um gás para um líquido ou de um líquido para um sólido são classificadas como transições de fase de primeira ordem se certas quantidades termodinâmicas apresentarem uma descontinuidade ao longo da transição, ao passo que são classificadas como transições de fase de segunda ordem se essas quantidades termodinâmicas mudam suavemente.

p Isso faz uma grande diferença, porque as leis matemáticas que permitem prever o ponto de transição e suas características, bem como as propriedades físicas da nova fase, são muito diferentes nos dois casos. No contexto das nanopartículas, a transição de gelificação é peculiar porque as nanopartículas na fase de sol dispersa são suspensas em um líquido (por exemplo, água) como partículas únicas ou parte de "aglomerados" isolados uns dos outros, enquanto na fase sólida ou de gel os clusters se interconectam em uma rede fractal. Esta rede é aparentemente "desordenada" ou caótica, Mas na realidade, apresenta alto grau de simetria por ser fractal. A natureza fractal do material implica que a densidade das partículas decai no espaço com a mesma lei de potência medida a partir de todos os pontos do material e o expoente da lei de potência que governa esta decadência é chamado de dimensão fractal (outros exemplos de objetos fractais são flocos de neve, redes fluviais, montanhas ou na costa da Grã-Bretanha).

p Por décadas, cientistas tentaram determinar se a transformação de nanopartículas dissolvidas em um líquido em uma rede fractal é governada por uma transição de fase termodinâmica específica. O novo estudo demonstra que a transição de fase, junto com seus expoentes críticos, que regulam as distribuições de tamanho de cluster tanto na fase sol quanto na fase de gel, bem como a dimensão fractal da própria rede (ou seja, a estrutura do material), pode ser calculado teoricamente a priori, e exatamente os mesmos valores de expoentes foram medidos experimentalmente em sistemas coloidais usando técnicas de microscopia confocal, e também os mesmos expoentes foram encontrados em simulações de dinâmica molecular no computador.

p Este resultado é um grande passo em frente para o design, desenvolvimento e controle de materiais nanoestruturados com estrutura fractal desejada e quantificar e otimizar a síntese industrial desses materiais. As aplicações são múltiplas e variam de géis coloidais para agricultura (para a liberação controlada de agentes ativos) a géis de proteínas usados ​​em biotecnologia e distribuição de medicamentos, a materiais nanocompósitos de borracha preenchidos com redes fractais de nanopartículas que permitem a redução de emissões poluentes no transporte de veículos.