Latexfärger och läkemedelssuspensioner som insulin eller amoxicillin som inte behöver skakas eller röras kan vara möjliga tack vare en ny förståelse för hur partiklar separeras i vätskor, enligt Penn State kemiingenjörer, som har utvecklat en metod för att förutsäga hur kolloidala komponenter separeras baserat på energi.

"Det pågående antagandet var att om du har en blandning av olika stora partiklar i en vätska, de snabbare sedimenterande partiklarna kommer att hamna på botten, sa Darrell Velegol, professor i kemiteknik. "Vi upptäckte att det i många fall inte spelar någon roll hur snabbt de sätter sig. Partiklarna fortsätter att knuffa tills de når lågenergitillståndet."

En annan känd mekanism för att sedimentera är paranötseffekten, där torra partiklar så småningom sorterar ut sig själva med de större partiklarna på toppen - på det sätt som paranötterna alltid finns på toppen av burken med blandade nötter. Denna mekanism, dock, gäller inte partiklar i vätskor.

Velegol, arbetar med César González Serrano, tidigare doktorand, och Joseph J. McDermott, doktorand, fann att sedimenteringshastigheter inte var de avgörande egenskaperna hos sedimenteringsblandningar, men att partiklarna på botten är de som har lägst energitillstånd. De rapporterade sina resultat i dagens (24 juli) onlinenummer av Naturmaterial.

"Sedimentation är ett gammalt fält, och det har tagit oss lång tid att ta reda på det, sa Velegol.

Velegol förklarar att små kolloidala partiklar - ungefär 1 mikrometer, ungefär 1 procent så tjockt som ett människohår -- i svagt joniska vätskor som vatten är mjuka, omgiven av ett elektrostatiskt fält som gör att de kan känna andra partiklar innan de faktiskt rör vid. På grund av den elektrostatiska laddningen, stöta bort de andra partiklarna, så att partiklarna och vätskan kan hålla sig i konstant rörelse.

I vätskor med högre jonstyrka som havsvatten, sfärer är hårda, oförmögna att känna andra sfärer förrän de faktiskt berörs. De skapar glasartade blandningar där partiklarna låses på plats innan de hittar sitt lägsta energitillstånd.

"Mjuka partiklar, eftersom de har krafter mellan, undvika att bli glasig, " sa Velegol. "Alla saker försöker gå till det lägsta energitillståndet, men för det mesta kan partiklar inte komma till det tillståndet. Paranötseffekten är inte ett minimalt energitillstånd. Nötterna är frysta i ett icke-jämviktstillstånd, inte där de verkligen vill vara i slutändan."

Vägen till att förstå denna separationsprocess var till en början oavsiktlig. González Serrano, arbetade med ett annat projekt hade svårt att se de två typerna av kolloidala partiklar han använde, så han bestämde sig för att använda två olika färger av material. Han lämnade den extra blandningen i en bägare över natten och hittade två distinkta färglager på morgonen. Forskarna upprepade experimentet och fann konsekvent samma resultat, men kunde först inte förklara varför det hände.

"Vi fann att täta partiklar gick till botten, även om de var väldigt små och satte sig långsamt, sa Velegol.

Forskarna fann att partiklarna satte sig i densitetsordningen. Partiklar av kiseldioxid och guld, till exempel, kommer alltid att bosätta sig med guldet på botten och kiseldioxiden på toppen eftersom guld är tätare än kiseldioxid. Detta inträffar även när de använde guld nanopartiklar, som lägger sig extremt långsamt.

När det gäller partiklar av samma material, processen blir svårare att förklara. Använda olika stora och färgade partiklar av samma ämne, forskarna fann vad som såg ut att vara ett lager av stora partiklar under ett lager av mindre partiklar. Vid närmare påseende, medan det översta lagret var helt små partiklar, det undre lagret var faktiskt ett lager av de stora partiklarna med en liten mängd små partiklar.

Separationen av partiklar sker på grund av packningsdensiteter. Normalt enhetliga sfärer som fyller ett utrymme kan uppta endast 64 procent av utrymmet. Dock, om ett material är mindre, packningsdensiteten kan öka.

"Det ovanliga är att denna blandning av sfärer i vatten beter sig som ett enda ämne med högre densitet än en typ av sfär i vatten, " säger Velegol. "Vi kan förutsäga procentandelen av bottenskiktet som kommer att bestå av varje storlek partikel eftersom vi kan beräkna energin i hela systemet."

Vissa av separationerna skapar till och med ett enhetligt lager på toppen och botten med ett blandat lager emellan.

"Vi körde en blandning efter att ha beräknat minimienergin och förutspådde tre faser, sa Velegol. Visst nog, vi hade tre faser när vi gjorde experimentet. Den nedre fasen var en blandning av polystyren och poly(metylmetakrylat), mitten var ren PMMA och det översta lagret var ren polystyren. Ingen skulle ha förutsett det tidigare."