Tintas de látex e suspensões de drogas, como insulina ou amoxicilina, que não precisam ser agitadas ou mexidas, podem ser possíveis graças a uma nova compreensão de como as partículas se separam em líquidos, de acordo com os engenheiros químicos da Penn State, que desenvolveram um método para prever a maneira como os componentes coloidais se separam com base na energia.

"A suposição corrente era que, se você tivesse uma mistura de partículas de tamanhos diferentes em um líquido, as partículas de sedimentação mais rápida acabarão no fundo, "disse Darrell Velegol, professor de engenharia química. "Descobrimos que, em muitos casos, não importa a rapidez com que se acomodam. As partículas continuam se empurrando até atingir o estado de baixa energia."

Outro mecanismo conhecido de fixação é o efeito castanha-do-pará, onde as partículas secas eventualmente se separam com as partículas maiores no topo - da mesma forma que as castanhas-do-pará são sempre encontradas no topo da lata de castanhas misturadas. Este mecanismo, Contudo, não se aplica a partículas em líquidos.

Velegol, trabalhando com César González Serrano, ex-aluno de graduação, e Joseph J. McDermott, estudante graduado, descobriram que as velocidades de sedimentação não eram as características determinantes das misturas de sedimentação, mas que as partículas no fundo são as que estão no estado de energia mais baixa. Eles relataram seus resultados na edição online de hoje (24 de julho) da Materiais da natureza.

"A sedimentação é um campo antigo, e levamos muito tempo para descobrir, "disse Velegol.

Velegol explica que pequenas partículas coloidais - cerca de 1 micrômetro, cerca de 1 por cento da espessura de um cabelo humano - em líquidos iônicos fracamente, como a água são macios, rodeado por um campo eletrostático que lhes permite sentir outras partículas antes de realmente se tocarem. Por causa da carga eletrostática, repelir as outras partículas, permitindo que as partículas e o líquido se mantenham em movimento constante.

Em líquidos de alta força iônica, como água do mar, esferas são difíceis, incapaz de sentir outras esferas até que elas realmente se toquem. Eles criam misturas vítreas onde as partículas ficam presas no lugar antes de encontrarem seu estado de energia mais baixo.

"Partículas macias, porque eles têm forças entre, evite ficar vítreo, "disse Velegol." Todas as coisas tentam ir para o estado de energia mais baixo, mas na maioria das vezes as partículas não conseguem chegar a esse estado. O efeito da castanha do Brasil não é um estado de energia mínima. As nozes são congeladas em um estado de não equilíbrio, não onde eles realmente querem estar no final. "

O caminho para entender esse processo de separação foi inicialmente acidental. González Serrano, trabalhar em outro projeto estava tendo dificuldade em ver os dois tipos de partículas coloidais que estava usando, então ele decidiu usar duas cores diferentes de material. Ele deixou a mistura extra em um béquer durante a noite e encontrou duas camadas de cores distintas pela manhã. Os pesquisadores repetiram o experimento e encontraram consistentemente o mesmo resultado, mas foram inicialmente incapazes de explicar por que isso aconteceu.

"Descobrimos que as partículas densas foram para o fundo, mesmo que fossem muito pequenos e assentados lentamente, "disse Velegol.

Os pesquisadores descobriram que as partículas se acomodaram em ordem de densidade. Partículas de sílica e ouro, por exemplo, sempre se estabelecerá com o ouro na parte inferior e a sílica na parte superior porque o ouro é mais denso que a sílica. Isso ocorre mesmo quando eles usaram nanopartículas de ouro, que se assentam extremamente lentamente.

Quando se trata de partículas do mesmo material, o processo se torna mais difícil de explicar. Usando partículas de tamanhos e cores diferentes da mesma substância, os pesquisadores descobriram o que parecia ser uma camada de partículas grandes abaixo de uma camada de partículas menores. Em uma inspeção mais próxima, enquanto a camada superior era completamente pequenas partículas, a camada inferior era na verdade uma camada de partículas grandes com uma pequena quantidade de partículas pequenas.

A separação das partículas ocorre devido às densidades de empacotamento. Normalmente, as esferas uniformes que preenchem um espaço podem ocupar apenas 64 por cento do espaço. Contudo, se um material é menor, a densidade da embalagem pode aumentar.

“O inusitado é que essa mistura de esferas na água se comporta como uma única substância com densidade maior do que um tipo de esfera na água, ", diz Velegol." Podemos prever a porcentagem da camada inferior que será composta de cada tamanho de partícula porque podemos calcular a energia de todo o sistema. "

Algumas das separações até criam uma camada uniforme na parte superior e inferior com uma camada mista no meio.

"Executamos uma mistura depois de calcular a energia mínima e previmos três fases, "disse Velegol." Com certeza, tínhamos três fases quando fizemos o experimento. A fase inferior era uma mistura de poliestireno e poli (metacrilato de metila), o meio era PMMA puro e a camada superior era poliestireno puro. Ninguém teria previsto isso antes. "