Scoperta una nuova instabilità convettiva per la migrazione di particelle colloidali

La rivista The Journal of Physical Chemistry Letters pubblica uno studio del team di fisici teorici e sperimentali dell’Università Statale di Milano che spiega come la presenza di particelle colloidali, cioè particelle con dimensione compresa fra il nanometro e il micrometro, uniformemente disperse in una miscela liquida binaria, sia in grado di originare un’instabilità convettiva sebbene la miscela si trovi in una situazione di stabilità gravitazionale.  

Se in un liquido è presente un soluto molecolare la cui concentrazione diminuisce con l’altezza, il sistema risulta gravitazionalmente stabile. Infatti, una porzione di fluido che venga spostata verso l’alto per via di una fluttuazione spontanea o perturbazione locale, risulta circondato da fluido meno denso e quindi viene richiamata verso il basso. Tale meccanismo inibitorio dei moti convettivi viene sorprendentemente meno se nella miscela binaria sono uniformemente disperse delle particelle colloidali. 

 Il meccanismo chiave per capire il nuovo fenomeno è la diffusioforesi: al fine di minimizzare l’energia di interfaccia colloide-soluto, il gradiente di soluto molecolare determina una migrazione interna dei colloidi che li porta ad accumularsi in alto svuotando il fondo, cosicché la densità cresce localmente con l’altezza. Questa instabilità, pur in assenza di un gradiente di temperatura, fa nascere dei moti convettivi simili a quelli che si osservano quando si scalda dal basso un liquido (convezione di Rayleigh-Bénard), dove la migrazione verso l’alto è dovuta dalla dilatazione termica. 

 Un risultato fondamentale di questo lavoro è aver dimostrato che la diffusioforesi può portare a una separazione di fase grazie al forte potenziamento del trasporto diffusivo di piccole particelle in sospensione. Il nuovo fenomeno potrebbe perciò avere promettenti applicazioni in ambito tecnologico, geologico, chimico e biologico dal momento che la stabilità delle sospensioni di macromolecole è fondamentale per funzioni cellulari, per lo sviluppo di prodotti farmaceutici e, in generale, per ogni applicazione che coinvolga materiali basati su fluidi complessi. 

Il link allo studio pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters.