Latexverven en medicijnsuspensies zoals insuline of amoxicilline die niet hoeven te worden geschud of geroerd, zijn mogelijk mogelijk dankzij een nieuw begrip van hoe deeltjes zich scheiden in vloeistoffen, volgens Penn State chemische ingenieurs, die een methode hebben ontwikkeld om op basis van energie te voorspellen hoe colloïdale componenten zich scheiden.

"De voortdurende veronderstelling was dat als je een mengsel van deeltjes van verschillende grootte in een vloeistof hebt, de sneller bezinkende deeltjes komen op de bodem terecht, " zei Darrell Velegol, hoogleraar scheikundige technologie. "We ontdekten dat het in veel gevallen niet uitmaakt hoe snel ze bezinken. De deeltjes blijven verdringen totdat ze de lage energietoestand bereiken."

Een ander bekend mechanisme voor bezinking is het paranooteffect, waar droge deeltjes zichzelf uiteindelijk sorteren met de grotere deeltjes bovenaan - zoals de paranoten altijd op de bovenkant van het blik gemengde noten worden gevonden. Dit mechanisme, echter, geldt niet voor deeltjes in vloeistoffen.

Velegol, werken met César González Serrano, voormalig afgestudeerde student, en Joseph J. McDermott, afgestudeerde student, ontdekte dat bezinkingssnelheden niet de bepalende kenmerken waren van bezinkingsmengsels, maar dat de deeltjes op de bodem degenen zijn in de laagste energietoestand. Ze rapporteerden hun resultaten in het online nummer van vandaag (24 juli) van: Natuur materialen.

"Sedimentatie is een oud veld, en het heeft lang geduurd voordat we erachter kwamen, ' zei Velegol.

Velegol legt uit dat kleine colloïdale deeltjes -- ongeveer 1 micrometer, ongeveer 1 procent zo dik als een mensenhaar -- in zwak ionische vloeistoffen zoals water zijn zacht, omgeven door een elektrostatisch veld waardoor ze andere deeltjes kunnen voelen voordat ze elkaar daadwerkelijk raken. Door de elektrostatische lading, stoten de andere deeltjes af, waardoor de deeltjes en de vloeistof constant in beweging blijven.

In vloeistoffen met een hogere ionsterkte, zoals zeewater, bollen zijn hard, niet in staat om andere sferen waar te nemen totdat ze elkaar daadwerkelijk raken. Ze creëren glasachtige mengsels waarbij de deeltjes op hun plaats worden vergrendeld voordat ze hun laagste energietoestand vinden.

"Zachte deeltjes, omdat ze krachten hebben tussen, vermijd glazig te worden, " zei Velegol. "Alle dingen proberen naar de laagste energietoestand te gaan, maar meestal kunnen deeltjes die toestand niet bereiken. Het paranooteffect is geen minimale energietoestand. De noten zijn bevroren in een niet-evenwichtstoestand, niet waar ze uiteindelijk willen zijn."

De weg naar het begrijpen van dit scheidingsproces was aanvankelijk toevallig. Gonzalez Serrano, terwijl hij aan een ander project werkte, had hij moeite om de twee soorten colloïdale deeltjes te zien die hij gebruikte, dus besloot hij twee verschillende kleuren materiaal te gebruiken. Hij liet het extra mengsel 's nachts in een bekerglas staan ​​en vond 's ochtends twee verschillende kleurlagen. De onderzoekers herhaalden het experiment en vonden consequent hetzelfde resultaat, maar konden aanvankelijk niet verklaren waarom het gebeurde.

"We ontdekten dat dichte deeltjes naar de bodem gingen, zelfs als ze heel klein waren en zich langzaam vestigden, ' zei Velegol.

De onderzoekers ontdekten dat de deeltjes bezonken in de volgorde van hun dichtheid. Deeltjes van silica en goud, bijvoorbeeld, zal altijd bezinken met het goud op de bodem en het silica bovenop omdat goud dichter is dan silica. Dit gebeurt zelfs wanneer ze gouden nanodeeltjes gebruikten, die zeer langzaam bezinken.

Als het gaat om deeltjes van hetzelfde materiaal, het proces wordt moeilijker uit te leggen. Door gebruik te maken van deeltjes van verschillende grootte en kleur van dezelfde stof, de onderzoekers vonden wat leek op een laag grote deeltjes onder een laag kleinere deeltjes. Bij nader inzien, terwijl de bovenste laag volledig uit kleine deeltjes bestond, de onderste laag was eigenlijk een laag van de grote deeltjes met een kleine hoeveelheid kleine deeltjes.

De scheiding van deeltjes vindt plaats vanwege pakkingsdichtheden. Normaal gesproken kunnen uniforme bollen die een ruimte vullen slechts 64 procent van de ruimte innemen. Echter, als een materiaal kleiner is, de pakkingsdichtheid kan toenemen.

"Het ongebruikelijke is dat dit mengsel van bollen in water zich gedraagt ​​als een enkele stof met een hogere dichtheid dan één type bol in water, "zegt Velegol. "We kunnen het percentage van de onderste laag voorspellen dat uit elk deeltje van elke grootte zal bestaan, omdat we de energie van het hele systeem kunnen berekenen."

Sommige scheidingen zorgen zelfs voor een uniforme laag aan de boven- en onderkant met daartussen een gemengde laag.

"We hebben één mengsel gebruikt na het berekenen van de minimale energie en drie fasen voorspeld, "zei Velegol. "Ja hoor, we hadden drie fasen toen we het experiment deden. De onderste fase was een mengsel van polystyreen en poly(methylmethacrylaat), het midden was puur PMMA en de toplaag was puur polystyreen. Dat had niemand eerder kunnen voorspellen."