Las pinturas de látex y las suspensiones de fármacos, como la insulina o la amoxicilina, que no necesitan agitarse ni agitarse, pueden ser posibles gracias a una nueva comprensión de cómo se separan las partículas en los líquidos. según los ingenieros químicos de Penn State, que han desarrollado un método para predecir la forma en que los componentes coloidales se separan en función de la energía.

"La suposición actual era que si tienes una mezcla de partículas de diferentes tamaños en un líquido, las partículas de sedimentación más rápida terminarán en el fondo, "dijo Darrell Velegol, profesor de ingeniería química. "Descubrimos que en muchos casos no importa qué tan rápido se asienten. Las partículas siguen empujándose hasta que alcanzan el estado de baja energía".

Otro mecanismo conocido de asentamiento es el efecto de la nuez de Brasil, donde las partículas secas finalmente se clasifican por sí mismas con las partículas más grandes en la parte superior, de la misma manera que las nueces de Brasil siempre se encuentran en la parte superior de la lata de nueces mixtas. Este mecanismo, sin embargo, no se aplica a partículas en líquidos.

Velegol, trabajando con César González Serrano, ex estudiante de posgrado, y Joseph J. McDermott, estudiante graduado, encontró que las velocidades de sedimentación no eran las características determinantes de las mezclas de sedimentación, pero que las partículas en la parte inferior son las que tienen el estado de energía más bajo. Informaron sus resultados en la edición en línea de hoy (24 de julio) de Materiales de la naturaleza.

"La sedimentación es un campo antiguo, y nos ha llevado mucho tiempo darnos cuenta, "dijo Velegol.

Velegol explica que las pequeñas partículas coloidales, aproximadamente 1 micrómetro, aproximadamente un 1 por ciento del grosor de un cabello humano; en líquidos débilmente iónicos como el agua son suaves, rodeado por un campo electrostático que les permite sentir otras partículas antes de que realmente se toquen. Debido a la carga electrostática, repeler las otras partículas, permitiendo que las partículas y el líquido se mantengan en constante movimiento.

En líquidos de mayor fuerza iónica como el agua de mar, las esferas son duras, incapaz de sentir otras esferas hasta que realmente se tocan. Crean mezclas vítreas donde las partículas se bloquean en su lugar antes de encontrar su estado de energía más bajo.

"Partículas blandas, porque tienen fuerzas entre, evitar ponerse vidrioso, "dijo Velegol." Todas las cosas tratan de ir al estado de energía más bajo, pero la mayoría de las veces las partículas no pueden llegar a ese estado. El efecto de la nuez de Brasil no es un estado energético mínimo. Las nueces se congelan en un estado de no equilibrio, no donde realmente quieren estar al final ".

El camino para comprender este proceso de separación fue inicialmente accidental. González Serrano, trabajando en otro proyecto tenía dificultades para ver los dos tipos de partículas coloidales que estaba usando, así que decidió utilizar dos colores de material diferentes. Dejó la mezcla extra en un vaso de precipitados durante la noche y encontró dos capas de color distintas por la mañana. Los investigadores repitieron el experimento y encontraron constantemente el mismo resultado, pero inicialmente no pudieron explicar por qué sucedió.

"Descubrimos que las partículas densas iban al fondo, incluso si fueran muy pequeños y se asentaron lentamente, "dijo Velegol.

Los investigadores encontraron que las partículas se asentaron en el orden de su densidad. Partículas de sílice y oro, por ejemplo, siempre se asentará con el oro en la parte inferior y la sílice en la parte superior porque el oro es más denso que la sílice. Esto ocurre incluso cuando usaron nanopartículas de oro, que se asientan muy lentamente.

Cuando se trata de partículas del mismo material, el proceso se vuelve más difícil de explicar. Usando partículas de la misma sustancia de diferentes tamaños y colores, los investigadores encontraron lo que parecía ser una capa de partículas grandes debajo de una capa de partículas más pequeñas. En una inspección más cercana, mientras que la capa superior estaba formada por partículas completamente pequeñas, la capa inferior era en realidad una capa de partículas grandes con una pequeña cantidad de partículas pequeñas.

La separación de partículas se produce debido a las densidades de empaquetamiento. Las esferas normalmente uniformes que llenan un espacio pueden ocupar solo el 64 por ciento del espacio. Sin embargo, si un material es más pequeño, la densidad de empaque puede aumentar.

“Lo inusual es que esta mezcla de esferas en el agua se comporta como una sola sustancia con una densidad mayor que un tipo de esfera en el agua, ", dice Velegol." Podemos predecir el porcentaje de la capa inferior que estará compuesta por cada tamaño de partícula porque podemos calcular la energía de todo el sistema ".

Algunas de las separaciones incluso crean una capa uniforme en la parte superior e inferior con una capa mixta en el medio.

"Hicimos una mezcla después de calcular la energía mínima y predijimos tres fases, "dijo Velegol." Efectivamente, teníamos tres fases cuando hicimos el experimento. La fase inferior fue una mezcla de poliestireno y poli (metacrilato de metilo), el medio era PMMA puro y la capa superior era poliestireno puro. Nadie hubiera predicho eso antes ".