Coloide

Física de la materia condensada
Fases Transición de fase PCC
Estados de la materia Sólido Líquido Gas Plasma Condensado de Bose-Einstein Gasolina Bose Condensado fermiónico Gas de Fermi Líquido de Fermi Supersólido Superfluidez Líquido de Luttinger Cristal del tiempo
Fenómenos de fase Parámetro de orden Transición de fase PCC
Fases electrónicas Estructura de banda electrónica Plasma Aislante Aislador Mott Semiconductor Semimetal Conductor Superconductor Termoeléctrico Piezoeléctrico Ferroeléctrico Aislante topológico Semiconductor sin separación de espín
Fenómenos electrónicos Efecto Hall cuántico Efecto Hall de giro Efecto Kondo
Fases magnéticas Diamagnético Superdiamagnético Paramagnético Superparamagnético Ferromagnético Antiferromagnético Metamagnético Vidrio giratorio
Cuasipartículas Fonón Excitón Polaritón plasmónico Polarón Magnón Rotón
Materia blanda Sólido amorfo Coloide Material granular Cristal líquido Polímero
Científicos Van der Waals Onnas de Laue Bragg Débye Bloqueo Ensañador Motón Perlas Landó Luttinger Anderson De Vleck Hubbard Shockley Bardeen Tonelero Schrieffer Josephson Luis Neel Esaki Giaever Kohn Kadanoff Pescador Wilson de Klitzing Binning Tubo Bednorz Müller risa Tormenta Yang Tsui Abrikosov Ginzburgo Leggett Parisi Wetterich Perdew
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Un coloide es una mezcla en la que una sustancia formada por partículas insolubles dispersas microscópicamente se encuentra suspendida en otra sustancia. Algunas definiciones especifican que las partículas deben estar dispersas en un líquido ^[1] , mientras que otras amplían la definición para incluir sustancias como aerosoles y geles . El término suspensión coloidal se refiere inequívocamente a la mezcla global (aunque un sentido más estricto de la palabra suspensión se distingue de los coloides por el mayor tamaño de las partículas). Un coloide tiene una fase dispersa (las partículas suspendidas) y una fase continua (el medio de suspensión). Las partículas de la fase dispersa tienen un diámetro de aproximadamente 1 nanómetro a 1 micrómetro ^{[2] [3} ]

Algunos coloides son translúcidos debido al efecto Tyndall , que es la dispersión de la luz por las partículas del coloide. Otros coloides pueden ser opacos o tener un ligero color.

Las suspensiones coloidales son objeto de la ciencia de las interfases y los coloides . Este campo de estudio comenzó en 1845 por Francesco Selmi , ^{[4] [5] [6] [7]} quien las llamó pseudosoluciones, y fue ampliado por Michael Faraday ^[8] y Thomas Graham , quien acuñó el término coloide en 1861. ^[9]

Los coloides se pueden clasificar de la siguiente manera:

Las mezclas homogéneas con una fase dispersa en este rango de tamaño pueden denominarse aerosoles coloidales , emulsiones coloidales , suspensiones coloidales , espumas coloidales , dispersiones coloidales o hidrosoles .

• 
  Aerogel
• 
  Cubitos de gelatina
• 
  Gel de sílice coloidal con ligera opalescencia.
• 
  Crema batida
• 
  Una cucharada de gel para el cabello
• 
  Las cremas son emulsiones semisólidas de aceite y agua. Las cremas de aceite en agua se utilizan con fines cosméticos, mientras que las cremas de agua en aceite se utilizan con fines medicinales.
• 
  Efecto Tyndall en una opalita :
  dispersa la luz azul, lo que hace que parezca azul desde un lado, pero la luz naranja brilla a través de ella.
  El ópalo es un gel en el que el agua se dispersa en cristales de sílice .
• 
  Leche : emulsión de glóbulos de grasa líquida dispersos en agua.
• 
  Neblina

Los hidrocoloides describen ciertas sustancias químicas (principalmente polisacáridos y proteínas ) que se dispersan coloidalmente en agua . De este modo, al volverse efectivamente "solubles", cambian la reología del agua al aumentar la viscosidad y/o inducir la gelificación. Pueden proporcionar otros efectos interactivos con otras sustancias químicas, en algunos casos sinérgicos, en otros antagónicos. Al utilizar estos atributos, los hidrocoloides son sustancias químicas muy útiles, ya que en muchas áreas de la tecnología, desde alimentos hasta productos farmacéuticos , cuidado personal y aplicaciones industriales, pueden proporcionar estabilización, desestabilización y separación, gelificación, control de flujo, control de cristalización y muchos otros efectos. Aparte de los usos de las formas solubles, algunos de los hidrocoloides tienen una funcionalidad útil adicional en forma seca si después de la solubilización se les elimina el agua, como en la formación de películas para tiras para el aliento o tripas de salchichas o, de hecho, fibras para apósitos de heridas, algunas de las cuales son más compatibles con la piel que otras. Existen muchos tipos diferentes de hidrocoloides, cada uno con diferencias en su estructura, función y utilidad, que generalmente son los más adecuados para áreas de aplicación particulares en el control de la reología y la modificación física de la forma y la textura. Algunos hidrocoloides, como el almidón y la caseína, son alimentos útiles y también modificadores de la reología, mientras que otros tienen un valor nutritivo limitado y, por lo general, proporcionan una fuente de fibra. ^[15]

El término hidrocoloides también se refiere a un tipo de apósito diseñado para retener la humedad en la piel y ayudar al proceso de curación natural de la piel para reducir las cicatrices, la picazón y el dolor.

Los hidrocoloides contienen algún tipo de agente formador de gel, como carboximetilcelulosa sódica (NaCMC) y gelatina. Normalmente se combinan con algún tipo de sellador, es decir, poliuretano, para que se "adhiera" a la piel.

Un coloide tiene una fase dispersa y una fase continua, mientras que en una solución , el soluto y el solvente constituyen solo una fase. Un soluto en una solución son moléculas individuales o iones , mientras que las partículas coloidales son más grandes. Por ejemplo, en una solución de sal en agua, el cristal de cloruro de sodio (NaCl) se disuelve y los iones Na ⁺ y Cl− ^están rodeados por moléculas de agua. Sin embargo, en un coloide como la leche, las partículas coloidales son glóbulos de grasa, en lugar de moléculas de grasa individuales. Debido a que el coloide tiene múltiples fases, tiene propiedades muy diferentes en comparación con una solución continua completamente mezclada. ^[16]

Las siguientes fuerzas juegan un papel importante en la interacción de partículas coloidales: ^{[17] [18]}

• Repulsión de volumen excluido : Se refiere a la imposibilidad de cualquier superposición entre partículas duras.
• Interacción electrostática : Las partículas coloidales suelen llevar una carga eléctrica y, por lo tanto, se atraen o se repelen entre sí. La carga tanto de la fase continua como de la dispersa, así como la movilidad de las fases, son factores que afectan a esta interacción.
• Fuerzas de van der Waals : se deben a la interacción entre dos dipolos permanentes o inducidos. Incluso si las partículas no tienen un dipolo permanente, las fluctuaciones de la densidad electrónica dan lugar a un dipolo temporal en una partícula. Este dipolo temporal induce un dipolo en partículas cercanas. El dipolo temporal y los dipolos inducidos se atraen entre sí. Esto se conoce como fuerza de van der Waals y siempre está presente (a menos que coincidan los índices de refracción de las fases dispersa y continua), es de corto alcance y es atractiva.
• Fuerzas estéricas : una fuerza estérica repulsiva que ocurre típicamente debido a polímeros adsorbidos que recubren la superficie de un coloide.
• Fuerzas de agotamiento : Fuerza entrópica atractiva que surge de un desequilibrio de presión osmótica cuando los coloides están suspendidos en un medio de partículas mucho más pequeñas o polímeros llamados depletantes.

El campo gravitatorio de la Tierra actúa sobre las partículas coloidales. Por lo tanto, si las partículas coloidales son más densas que el medio de suspensión, se sedimentarán ( caerán al fondo), o si son menos densas, se formarán cremas (flotarán hacia la superficie). Las partículas más grandes también tienen una mayor tendencia a sedimentarse porque tienen un movimiento browniano menor para contrarrestar este movimiento.

La velocidad de sedimentación o de formación de crema se obtiene igualando la fuerza de arrastre de Stokes con la fuerza gravitacional :

${\displaystyle m_{A}g=6\pi \eta rv}$

dónde

${\displaystyle m_{A}g}$es el peso arquimediano de las partículas coloidales,

${\displaystyle \eta }$es la viscosidad del medio de suspensión,

${\displaystyle r}$es el radio de la partícula coloidal,

y es la velocidad de sedimentación o formación de crema.${\displaystyle v}$

La masa de la partícula coloidal se encuentra utilizando:

${\displaystyle m_{A}=V(\rho _{1}-\rho _{2})}$

dónde

${\displaystyle V}$es el volumen de la partícula coloidal, calculado utilizando el volumen de una esfera ,${\displaystyle V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}}$

y es la diferencia en densidad de masa entre la partícula coloidal y el medio de suspensión.${\displaystyle \rho _{1}-\rho _{2}}$

Reordenando, la velocidad de sedimentación o cremación es:

${\displaystyle v={\frac {m_{A}g}{6\pi \eta r}}}$

Existe un límite de tamaño superior para el diámetro de las partículas coloidales porque las partículas mayores de 1 μm tienden a sedimentarse y, por lo tanto, la sustancia ya no se consideraría una suspensión coloidal. ^[19]

Se dice que las partículas coloidales están en equilibrio de sedimentación si la velocidad de sedimentación es igual a la velocidad de movimiento del movimiento browniano.

Hay dos formas principales de preparar coloides: ^[20]

• Dispersión de partículas grandes o gotitas a dimensiones coloidales mediante molienda , pulverización o aplicación de cizallamiento (por ejemplo, agitación, mezcla o mezclado a alto cizallamiento ).
• Condensación de pequeñas moléculas disueltas en partículas coloidales más grandes mediante precipitación , condensación o reacciones redox . Estos procesos se utilizan en la preparación de sílice coloidal o de oro .

La estabilidad de un sistema coloidal se define por las partículas que permanecen suspendidas en la solución y depende de las fuerzas de interacción entre las partículas. Estas incluyen interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals , porque ambas contribuyen a la energía libre total del sistema. ^[21]

Un coloide es estable si la energía de interacción debida a las fuerzas de atracción entre las partículas coloidales es menor que kT , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta . Si este es el caso, las partículas coloidales se repelerán o solo se atraerán débilmente entre sí, y la sustancia permanecerá en suspensión.

Si la energía de interacción es mayor que kT, prevalecerán las fuerzas de atracción y las partículas coloidales comenzarán a agruparse. Este proceso se conoce generalmente como agregación , pero también se conoce como floculación , coagulación o precipitación . ^[22] Si bien estos términos a menudo se usan indistintamente, para algunas definiciones tienen significados ligeramente diferentes. Por ejemplo, la coagulación se puede utilizar para describir la agregación irreversible y permanente donde las fuerzas que mantienen unidas las partículas son más fuertes que cualquier fuerza externa causada por la agitación o la mezcla. La floculación se puede utilizar para describir la agregación reversible que involucra fuerzas de atracción más débiles, y el agregado generalmente se denomina flóculo . El término precipitación normalmente se reserva para describir un cambio de fase de una dispersión coloidal a un sólido (precipitado) cuando se somete a una perturbación. ^[19] La agregación causa sedimentación o cremación, por lo tanto, el coloide es inestable: si ocurre cualquiera de estos procesos, el coloide ya no será una suspensión.

La estabilización electrostática y la estabilización estérica son los dos mecanismos principales de estabilización contra la agregación.

• La estabilización electrostática se basa en la repulsión mutua de cargas eléctricas similares. La carga de las partículas coloidales está estructurada en una doble capa eléctrica , donde las partículas están cargadas en la superficie, pero luego atraen contraiones (iones de carga opuesta) que rodean la partícula. La repulsión electrostática entre partículas coloidales suspendidas se cuantifica más fácilmente en términos del potencial zeta . El efecto combinado de la atracción de van der Waals y la repulsión electrostática sobre la agregación se describe cuantitativamente mediante la teoría DLVO . ^[23] Un método común para estabilizar un coloide (convertirlo de un precipitado) es la peptización , un proceso en el que se agita con un electrolito.
• La estabilización estérica consiste en absorber una capa de un polímero o surfactante sobre las partículas para evitar que se acerquen en el rango de fuerzas de atracción. ^[19] El polímero consiste en cadenas que están unidas a la superficie de la partícula, y la parte de la cadena que se extiende hacia afuera es soluble en el medio de suspensión. ^[24] Esta técnica se utiliza para estabilizar partículas coloidales en todo tipo de solventes, incluidos los solventes orgánicos. ^[25]

También es posible una combinación de ambos mecanismos (estabilización electrostérica).

Un método llamado estabilización de red de gel representa la principal forma de producir coloides estables tanto a la agregación como a la sedimentación. El método consiste en añadir a la suspensión coloidal un polímero capaz de formar una red de gel. La sedimentación de partículas se ve obstaculizada por la rigidez de la matriz polimérica donde las partículas están atrapadas, ^[26] y las largas cadenas poliméricas pueden proporcionar una estabilización estérica o electrostérica a las partículas dispersas. Ejemplos de tales sustancias son la goma xantana y la goma guar .

La desestabilización se puede lograr por diferentes métodos:

• Eliminación de la barrera electrostática que impide la agregación de las partículas. Esto se puede lograr mediante la adición de sal a una suspensión para reducir la longitud de cribado de Debye (el ancho de la doble capa eléctrica) de las partículas. También se logra cambiando el pH de una suspensión para neutralizar eficazmente la carga superficial de las partículas en suspensión. ^[1] Esto elimina las fuerzas repulsivas que mantienen separadas las partículas coloidales y permite la agregación debido a las fuerzas de van der Waals. Los cambios menores en el pH pueden manifestarse en una alteración significativa del potencial zeta . Cuando la magnitud del potencial zeta se encuentra por debajo de un cierto umbral, típicamente alrededor de ± 5 mV, tiende a ocurrir una coagulación o agregación rápida. ^[27]
• Adición de un floculante polimérico cargado. Los floculantes poliméricos pueden unir partículas coloidales individuales mediante interacciones electrostáticas atractivas. Por ejemplo, las partículas coloidales de sílice o arcilla con carga negativa se pueden flocular mediante la adición de un polímero con carga positiva.
• Adición de polímeros no adsorbidos llamados depletantes que provocan agregación debido a efectos entrópicos.

Las suspensiones coloidales inestables de fracción de volumen bajo forman suspensiones líquidas agrupadas, en las que los grupos individuales de partículas sedimentan si son más densos que el medio de suspensión, o se vuelven crema si son menos densos. Sin embargo, las suspensiones coloidales de fracción de volumen más alto forman geles coloidales con propiedades viscoelásticas . Los geles coloidales viscoelásticos, como la bentonita y la pasta de dientes , fluyen como líquidos bajo cizallamiento, pero mantienen su forma cuando se elimina el cizallamiento. Es por esta razón que la pasta de dientes se puede exprimir de un tubo de pasta de dientes, pero permanece en el cepillo de dientes después de su aplicación.

La técnica más utilizada para monitorizar el estado de dispersión de un producto, e identificar y cuantificar fenómenos de desestabilización, es la dispersión múltiple de luz acoplada a barrido vertical. ^{[28] [29] [30] [31]} Este método, conocido como turbidimetría , se basa en medir la fracción de luz que, tras ser enviada a través de la muestra, es retrodispersada por las partículas coloidales. La intensidad de la retrodispersión es directamente proporcional al tamaño medio de partícula y a la fracción de volumen de la fase dispersa. Por tanto, se detectan y monitorizan los cambios locales de concentración provocados por sedimentación o cremosidad, y el aglutinamiento de partículas provocado por agregación. ^[32] Estos fenómenos están asociados a coloides inestables.

La dispersión dinámica de la luz se puede utilizar para detectar el tamaño de una partícula coloidal midiendo la velocidad a la que se difunde. Este método implica dirigir la luz láser hacia un coloide. La luz dispersada formará un patrón de interferencia y la fluctuación de la intensidad de la luz en este patrón se debe al movimiento browniano de las partículas. Si el tamaño aparente de las partículas aumenta debido a que se agrupan mediante agregación, el movimiento browniano será más lento. Esta técnica puede confirmar que se ha producido la agregación si se determina que el tamaño aparente de las partículas supera el rango de tamaño típico de las partículas coloidales. ^[21]

El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo (hasta varios meses o años para algunos productos). Por lo tanto, a menudo se requiere que el formulador utilice métodos de aceleración adicionales para alcanzar un tiempo de desarrollo razonable para el diseño de nuevos productos. Los métodos térmicos son los más utilizados y consisten en aumentar la temperatura para acelerar la desestabilización (por debajo de las temperaturas críticas de inversión de fase o degradación química). La temperatura afecta no solo a la viscosidad, sino también a la tensión interfacial en el caso de los surfactantes no iónicos o, de manera más general, a las fuerzas de interacción dentro del sistema. El almacenamiento de una dispersión a altas temperaturas permite simular las condiciones de la vida real para un producto (por ejemplo, un tubo de crema solar en un automóvil en verano), pero también acelerar los procesos de desestabilización hasta 200 veces. A veces se utiliza la aceleración mecánica, que incluye vibración, centrifugación y agitación. Someten al producto a diferentes fuerzas que empujan las partículas / gotitas unas contra otras, lo que ayuda al drenaje de la película. Algunas emulsiones nunca se fusionarían en gravedad normal, mientras que sí lo hacen bajo gravedad artificial. ^[33] Se ha resaltado la segregación de diferentes poblaciones de partículas al utilizar centrifugación y vibración. ^[34]

En física , los coloides son un sistema modelo interesante para los átomos . ^[35] Las partículas coloidales a escala micrométrica son lo suficientemente grandes como para ser observadas mediante técnicas ópticas como la microscopía confocal . Muchas de las fuerzas que gobiernan la estructura y el comportamiento de la materia, como las interacciones de volumen excluido o las fuerzas electrostáticas, gobiernan la estructura y el comportamiento de las suspensiones coloidales. Por ejemplo, las mismas técnicas utilizadas para modelar gases ideales se pueden aplicar para modelar el comportamiento de una suspensión coloidal de esfera dura. Las transiciones de fase en suspensiones coloidales se pueden estudiar en tiempo real utilizando técnicas ópticas, ^[36] y son análogas a las transiciones de fase en líquidos. En muchos casos interesantes, la fluidez óptica se utiliza para controlar suspensiones coloidales. ^{[36] [37]}

Un cristal coloidal es una matriz altamente ordenada de partículas que se puede formar en un rango muy amplio (normalmente del orden de unos pocos milímetros a un centímetro) y que parecen análogas a sus contrapartes atómicas o moleculares. ^[38] Uno de los mejores ejemplos naturales de este fenómeno de ordenamiento se puede encontrar en el ópalo precioso , en el que las regiones brillantes de color espectral puro resultan de dominios muy compactos de esferas coloidales amorfas de dióxido de silicio (o sílice , SiO2 ₎ . ^{[39] [40]} Estas partículas esféricas se precipitan en charcos altamente silíceos en Australia y en otros lugares, y forman estas matrices altamente ordenadas después de años de sedimentación y compresión bajo fuerzas hidrostáticas y gravitacionales. Las matrices periódicas de partículas esféricas submicrométricas proporcionan matrices similares de huecos intersticiales , que actúan como una rejilla de difracción natural para las ondas de luz visible , en particular cuando el espaciamiento intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente . ^{[41] [42]}

Así, se sabe desde hace muchos años que, debido a las interacciones coulombianas repulsivas , las macromoléculas cargadas eléctricamente en un entorno acuoso pueden exhibir correlaciones de largo alcance similares a las de los cristales , con distancias de separación entre partículas que a menudo son considerablemente mayores que el diámetro de cada partícula. En todos estos casos en la naturaleza, la misma iridiscencia brillante (o juego de colores) puede atribuirse a la difracción e interferencia constructiva de las ondas de luz visible que satisfacen la ley de Bragg , de manera análoga a la dispersión de rayos X en sólidos cristalinos.

La gran cantidad de experimentos que exploran la física y la química de estos llamados "cristales coloidales" ha surgido como resultado de los métodos relativamente simples que han evolucionado en los últimos 20 años para preparar coloides monodispersos sintéticos (tanto poliméricos como minerales) y, a través de varios mecanismos, implementar y preservar su formación de orden de largo alcance. ^[43]

La separación de fases coloidales es un principio organizador importante para la compartimentación tanto del citoplasma como del núcleo de las células en condensados ​​biomoleculares , de importancia similar a la compartimentación a través de membranas de bicapa lipídica , un tipo de cristal líquido . El término condensado biomolecular se ha utilizado para referirse a grupos de macromoléculas que surgen a través de la separación de fases líquido-líquido o líquido-sólido dentro de las células. El hacinamiento macromolecular mejora en gran medida la separación de fases coloidales y la formación de condensados ​​biomoleculares .

Las partículas coloidales también pueden servir como vector de transporte ^[44] de diversos contaminantes en las aguas superficiales (agua de mar, lagos, ríos, cuerpos de agua dulce) y en aguas subterráneas que circulan en rocas fisuradas ^[45] (por ejemplo, piedra caliza , arenisca , granito ). Los radionucleidos y los metales pesados ​​se absorben fácilmente en coloides suspendidos en agua. Se reconocen varios tipos de coloides: coloides inorgánicos (por ejemplo, partículas de arcilla , silicatos, oxihidróxidos de hierro ), coloides orgánicos ( sustancias húmicas y fúlvicas ). Cuando los metales pesados ​​o los radionucleidos forman sus propios coloides puros, se utiliza el término " coloide propio _{" para designar fases puras, es decir, Tc(OH) 4} puro , U(OH) ₄ o Am(OH) _3. Se ha sospechado que los coloides son responsables del transporte de plutonio a larga distancia en el Sitio de Pruebas Nucleares de Nevada . Han sido objeto de estudios detallados durante muchos años. Sin embargo, la movilidad de los coloides inorgánicos es muy baja en bentonitas compactadas y en formaciones arcillosas profundas ^[46] debido al proceso de ultrafiltración que ocurre en la membrana arcillosa densa. ^[47] La ​​cuestión es menos clara para los coloides orgánicos pequeños que a menudo se mezclan en el agua intersticial con moléculas orgánicas verdaderamente disueltas. ^[48]

En la ciencia del suelo , la fracción coloidal de los suelos consiste en pequeñas partículas de arcilla y humus que tienen menos de 1 μm de diámetro y llevan cargas electrostáticas positivas y/o negativas que varían dependiendo de las condiciones químicas de la muestra de suelo, es decir, el pH del suelo . ^[49]

Las soluciones coloides utilizadas en la terapia intravenosa pertenecen a un grupo importante de expansores de volumen y se pueden utilizar para la reposición de líquidos por vía intravenosa . Los coloides conservan una alta presión osmótica coloide en la sangre ^[50] y, por lo tanto, teóricamente deberían aumentar preferentemente el volumen intravascular , mientras que otros tipos de expansores de volumen llamados cristaloides también aumentan el volumen intersticial y el volumen intracelular . Sin embargo, todavía existe controversia sobre la diferencia real en eficacia por esta diferencia ^[50] y gran parte de la investigación relacionada con este uso de coloides se basa en una investigación fraudulenta de Joachim Boldt ^[51] . Otra diferencia es que los cristaloides generalmente son mucho más baratos que los coloides ^[50] .