Vernici al lattice e sospensioni di farmaci come insulina o amoxicillina che non hanno bisogno di essere agitate o mescolate possono essere possibili grazie a una nuova comprensione di come le particelle si separano nei liquidi, secondo gli ingegneri chimici della Penn State, che hanno sviluppato un metodo per prevedere il modo in cui i componenti colloidali si separano in base all'energia.

"L'ipotesi in corso era che se si dispone di una miscela di particelle di dimensioni diverse in un liquido, le particelle a più rapida sedimentazione andranno a finire sul fondo, " ha detto Darrell Velegol, professore di ingegneria chimica. "Abbiamo scoperto che in molti casi non importa quanto velocemente si depositano. Le particelle continuano a spingersi fino a raggiungere lo stato di bassa energia".

Un altro meccanismo noto per la sedimentazione è l'effetto noce del Brasile, dove le particelle secche alla fine si risolvono con le particelle più grandi sulla parte superiore - il modo in cui le noci del Brasile si trovano sempre sulla parte superiore della lattina di noci miste. Questo meccanismo, però, non si applica alle particelle nei liquidi.

Velegol, lavorando con César González Serrano, ex laureanda, e Joseph J. McDermott, studente laureato, ha scoperto che le velocità di sedimentazione non erano le caratteristiche determinanti delle miscele di sedimentazione, ma che le particelle sul fondo sono quelle nello stato energetico più basso. Hanno riportato i loro risultati nel numero online di oggi (24 luglio) di Materiali della natura.

"La sedimentazione è un vecchio campo, e ci è voluto molto tempo per capirlo, " disse Velegol.

Velegol spiega che piccole particelle colloidali - circa 1 micrometro, circa l'1% dello spessore di un capello umano - in liquidi debolmente ionici come l'acqua sono morbidi, circondati da un campo elettrostatico che consente loro di sentire altre particelle prima che si tocchino effettivamente. A causa della carica elettrostatica, respingere le altre particelle, permettendo alle particelle e al liquido di mantenersi in costante movimento.

In liquidi a maggiore forza ionica come l'acqua di mare, le sfere sono dure, incapace di percepire altre sfere finché non si toccano effettivamente. Creano miscele vetrose in cui le particelle si bloccano in posizione prima di trovare il loro stato energetico più basso.

"Particelle morbide, perché hanno delle forze in mezzo, evita di diventare vitreo, " disse Velegol. "Tutte le cose cercano di andare allo stato di energia più basso, ma la maggior parte delle volte le particelle non possono raggiungere quello stato. L'effetto noce del Brasile non è uno stato energetico minimo. Le noci sono congelate in uno stato di non equilibrio, non dove vogliono davvero essere alla fine."

La strada per comprendere questo processo di separazione è stata inizialmente casuale. González Serrano, lavorare su un altro progetto aveva difficoltà a vedere i due tipi di particelle colloidali che stava usando, così ha deciso di utilizzare due diversi colori di materiale. Ha lasciato la miscela in eccesso in un becher durante la notte e ha trovato due distinti strati di colore al mattino. I ricercatori hanno ripetuto l'esperimento e hanno trovato costantemente lo stesso risultato, ma inizialmente non sono stati in grado di spiegare perché è successo.

"Abbiamo scoperto che le particelle dense sono andate sul fondo, anche se erano molto piccoli e si stabilivano lentamente, " disse Velegol.

I ricercatori hanno scoperto che le particelle si sono depositate nell'ordine della loro densità. Particelle di silice e oro, Per esempio, si sistemerà sempre con l'oro sul fondo e la silice sopra perché l'oro è più denso della silice. Ciò si verifica anche quando hanno usato nanoparticelle d'oro, che si depositano con estrema lentezza.

Quando si tratta di particelle dello stesso materiale, il processo diventa più difficile da spiegare. Utilizzando particelle di dimensioni e colori diversi della stessa sostanza, i ricercatori hanno scoperto quello che sembrava essere uno strato di particelle grandi sotto uno strato di particelle più piccole. A ben vedere, mentre lo strato superiore era costituito da particelle completamente piccole, lo strato inferiore era in realtà uno strato di particelle grandi con una piccola quantità di particelle piccole.

La separazione delle particelle avviene a causa delle densità di impaccamento. Normalmente le sfere uniformi che riempiono uno spazio possono occupare solo il 64 percento dello spazio. Però, se un materiale è più piccolo, la densità di imballaggio può aumentare.

"La cosa insolita è che questa miscela di sfere nell'acqua si comporta come una singola sostanza con una densità maggiore di un tipo di sfera nell'acqua, " dice Velegol. "Possiamo prevedere la percentuale dello strato inferiore che sarà composto da ogni particella di dimensione perché possiamo calcolare l'energia dell'intero sistema".

Alcune delle separazioni creano persino uno strato uniforme sulla parte superiore e inferiore con uno strato misto in mezzo.

"Abbiamo eseguito una miscela dopo aver calcolato l'energia minima e previsto tre fasi, " disse Velegol. "Abbastanza sicuro, abbiamo avuto tre fasi quando abbiamo fatto l'esperimento. La fase inferiore era una miscela di polistirene e poli(metilmetacrilato), il mezzo era puro PMMA e lo strato superiore era puro polistirene. Nessuno lo avrebbe previsto prima".