Les peintures au latex et les suspensions de médicaments telles que l'insuline ou l'amoxicilline qui n'ont pas besoin d'être secouées ou agitées peuvent être possibles grâce à une nouvelle compréhension de la façon dont les particules se séparent dans les liquides, selon les ingénieurs chimistes de Penn State, qui ont développé une méthode pour prédire la façon dont les composants colloïdaux se séparent en fonction de l'énergie.

"L'hypothèse actuelle était que si vous avez un mélange de particules de différentes tailles dans un liquide, les particules qui se déposent plus rapidement se retrouveront au fond, " a déclaré Darrell Velegol, professeur de génie chimique. "Nous avons constaté que dans de nombreux cas, la vitesse à laquelle elles se déposent n'a pas d'importance. Les particules continuent de se bousculer jusqu'à ce qu'elles atteignent l'état de basse énergie."

Un autre mécanisme connu de décantation est l'effet noix du Brésil, où les particules sèches finissent par se trier avec les plus grosses particules sur le dessus - de la même manière que les noix du Brésil se trouvent toujours sur le dessus de la boîte de noix mélangées. Ce mécanisme, cependant, ne s'applique pas aux particules dans les liquides.

Vélégol, travailler avec César González Serrano, ancien étudiant diplômé, et Joseph J. McDermott, étudiant diplomé, ont constaté que les vitesses de décantation n'étaient pas les caractéristiques déterminantes des mélanges de décantation, mais que les particules au fond sont celles dans l'état d'énergie le plus bas. Ils ont rendu compte de leurs résultats dans le numéro en ligne d'aujourd'hui (24 juillet) de Matériaux naturels.

"La sédimentation est un vieux domaine, et il nous a fallu beaucoup de temps pour le comprendre, " dit Vélégol.

Velegol explique que les petites particules colloïdales - environ 1 micromètre, environ 1% de l'épaisseur d'un cheveu humain - dans les liquides faiblement ioniques comme l'eau, ils sont mous, entouré d'un champ électrostatique qui leur permet de sentir d'autres particules avant qu'elles ne se touchent réellement. En raison de la charge électrostatique, repousser les autres particules, permettant aux particules et au liquide de rester en mouvement constant.

Dans les liquides à plus forte concentration ionique comme l'eau de mer, les sphères sont dures, incapable de détecter d'autres sphères jusqu'à ce qu'elles se touchent réellement. Ils créent des mélanges vitreux où les particules se bloquent avant de trouver leur état énergétique le plus bas.

« Particules molles, parce qu'ils ont des forces entre, éviter de devenir vitreux, " a déclaré Velegol. "Toutes les choses essaient d'aller à l'état d'énergie le plus bas, mais la plupart du temps, les particules ne peuvent pas atteindre cet état. L'effet noix du Brésil n'est pas un état énergétique minimal. Les noix sont congelées dans un état de non-équilibre, pas là où ils veulent vraiment être à la fin."

Le chemin vers la compréhension de ce processus de séparation a d'abord été accidentel. Gonzalez Serrano, travailler sur un autre projet avait du mal à voir les deux types de particules colloïdales qu'il utilisait, il a donc décidé d'utiliser deux couleurs de matériaux différentes. Il a laissé le mélange supplémentaire dans un bécher pendant la nuit et a trouvé deux couches de couleurs distinctes le matin. Les chercheurs ont répété l'expérience et ont toujours trouvé le même résultat, mais ont été initialement incapables d'expliquer pourquoi cela s'est produit.

"Nous avons découvert que les particules denses allaient au fond, même s'ils étaient très petits et s'installaient lentement, " dit Vélégol.

Les chercheurs ont découvert que les particules se sont déposées dans l'ordre de leur densité. Particules de silice et d'or, par exemple, se déposera toujours avec l'or en bas et la silice en haut car l'or est plus dense que la silice. Cela se produit même lorsqu'ils ont utilisé des nanoparticules d'or, qui se déposent extrêmement lentement.

Lorsqu'il s'agit de particules du même matériau, le processus devient plus difficile à expliquer. En utilisant des particules de tailles et de couleurs différentes de la même substance, les chercheurs ont découvert ce qui semblait être une couche de grosses particules sous une couche de particules plus petites. A y regarder de plus près, tandis que la couche supérieure était complètement de petites particules, la couche inférieure était en fait une couche de grosses particules avec une petite quantité de petites particules.

La séparation des particules se produit en raison des densités de tassement. Des sphères normalement uniformes remplissant un espace ne peuvent occuper que 64 pour cent de l'espace. Cependant, si un matériau est plus petit, la densité d'emballage peut augmenter.

"La chose inhabituelle est que ce mélange de sphères dans l'eau se comporte comme une seule substance avec une densité plus élevée qu'un type de sphère dans l'eau, ", explique Velegol. "Nous pouvons prédire le pourcentage de la couche inférieure qui sera composé de chaque taille de particule car nous pouvons calculer l'énergie de l'ensemble du système."

Certaines séparations créent même une couche uniforme en haut et en bas avec une couche mixte entre les deux.

"Nous avons exécuté un mélange après avoir calculé l'énergie minimale et prédit trois phases, " dit Velegol. " Bien sûr, nous avons eu trois phases lorsque nous avons fait l'expérience. La phase inférieure était un mélange de polystyrène et de poly(méthacrylate de méthyle), le milieu était du PMMA pur et la couche supérieure était du polystyrène pur. Personne n'aurait prédit cela avant."