Bløde kugler sætter sig i noget overraskende struktur

Latexmaling og lægemiddelsuspensioner såsom insulin eller amoxicillin, der ikke skal rystes eller omrøres, kan være mulige takket være en ny forståelse af, hvordan partikler adskilles i væsker, ifølge Penn State kemiingeniører, som har udviklet en metode til at forudsige måden kolloide komponenter adskilles på baseret på energi.

"Den igangværende antagelse var, at hvis du har en blanding af partikler af forskellig størrelse i en væske, de hurtigere bundfældende partikler ender på bunden, " sagde Darrell Velegol, professor i kemiteknik. "Vi fandt ud af, at det i mange tilfælde er ligegyldigt, hvor hurtigt de sætter sig. Partiklerne bliver ved med at skubbe, indtil de når lavenergitilstanden."

En anden kendt mekanisme til bundfældning er paranøddeeffekten, hvor tørre partikler til sidst sorterer sig ud med de større partikler på toppen -- sådan som paranødderne altid findes på toppen af ​​dåsen med blandede nødder. Denne mekanisme, imidlertid, gælder ikke for partikler i væsker.

Velegol, arbejder med César González Serrano, tidligere kandidatstuderende, og Joseph J. McDermott, kandidatstuderende, fandt ud af, at bundfældningshastigheder ikke var de afgørende karakteristika for bundfældningsblandinger, men at partiklerne på bunden er dem i den laveste energitilstand. De rapporterede deres resultater i dagens (24. juli) onlineudgave af Naturmaterialer.

"Sedimentation er en gammel mark, og det har taget os lang tid at finde ud af det, " sagde Velegol.

Velegol forklarer, at små kolloide partikler - omkring 1 mikrometer, omkring 1 procent så tykt som et menneskehår -- i svagt ioniske væsker som vand er bløde, omgivet af et elektrostatisk felt, der giver dem mulighed for at mærke andre partikler, før de rent faktisk rører ved. På grund af den elektrostatiske ladning, frastøde de andre partikler, så partiklerne og væsken kan holde sig i konstant bevægelse.

I væsker med højere ionstyrke som havvand, sfærer er hårde, ude af stand til at fornemme andre sfærer, før de faktisk rører ved. De skaber glasagtige blandinger, hvor partiklerne bliver låst på plads, før de finder deres laveste energitilstand.

"Bløde partikler, fordi de har kræfter imellem, undgå at blive glasagtig, " sagde Velegol. "Alle ting forsøger at gå til den laveste energitilstand, men det meste af tiden kan partikler ikke komme til den tilstand. Paranøddeeffekten er ikke en minimal energitilstand. Nødderne fryses i en ikke-ligevægtstilstand, ikke hvor de virkelig ønsker at være i sidste ende."

Vejen til at forstå denne adskillelsesproces var oprindeligt tilfældig. González Serrano, arbejde på et andet projekt havde svært ved at se de to slags kolloide partikler, han brugte, så han besluttede at bruge to forskellige farver materiale. Han efterlod den ekstra blanding i et bægerglas natten over og fandt to forskellige farvelag om morgenen. Forskerne gentog eksperimentet og fandt konsekvent det samme resultat, men var i første omgang ikke i stand til at forklare, hvorfor det skete.

"Vi fandt ud af, at tætte partikler gik til bunden, selvom de var meget små og lagde sig langsomt, " sagde Velegol.

Forskerne fandt ud af, at partiklerne lagde sig i rækkefølgen efter deres tæthed. Partikler af silica og guld, for eksempel, vil altid afregne med guldet på bunden og silicaen på toppen, fordi guld er tættere end silica. Dette sker, selv når de brugte guld nanopartikler, som sætter sig ekstremt langsomt.

Når det kommer til partikler af samme materiale, processen bliver sværere at forklare. Brug af forskellig størrelse og farvede partikler af det samme stof, forskerne fandt, hvad der så ud til at være et lag af store partikler under et lag af mindre partikler. Ved nærmere eftersyn, mens det øverste lag var helt små partikler, det nederste lag var faktisk et lag af de store partikler med en lille mængde små partikler.

Adskillelsen af ​​partikler sker på grund af pakningsdensiteter. Normalt kan ensartede kugler, der fylder et rum, kun optage 64 procent af pladsen. Imidlertid, hvis et materiale er mindre, pakningstætheden kan stige.

"Det usædvanlige er, at denne blanding af kugler i vand opfører sig som et enkelt stof med en højere densitet end en type kugle i vand, " siger Velegol. "Vi kan forudsige procentdelen af ​​bundlaget, der vil være sammensat af hver størrelse partikel, fordi vi kan beregne energien af ​​hele systemet."

Nogle af adskillelserne skaber endda et ensartet lag på top og bund med et blandet lag imellem.

"Vi kørte en blanding efter at have beregnet minimumsenergien og forudsagt tre faser, sagde Velegol. vi havde tre faser, da vi lavede eksperimentet. Den nedre fase var en blanding af polystyren og poly(methylmethacrylat), midten var ren PMMA og det øverste lag var ren polystyren. Ingen ville have forudset det før."