Fuerza de agotamiento

Fuerza efectiva en sistemas moleculares y coloidales.

Una fuerza de agotamiento es una fuerza de atracción efectiva que surge entre grandes partículas coloidales que están suspendidas en una solución diluida de agotamiento , que son solutos más pequeños que están preferentemente excluidos de la vecindad de las partículas grandes. ^{[1] [2]} Uno de los primeros informes sobre las fuerzas de agotamiento que conducen a la coagulación de partículas es el de Bondy, quien observó la separación o "crema" del látex de caucho al agregar moléculas agotadoras del polímero ( alginato de sodio ) a la solución. ^[3] De manera más general, los agotadores pueden incluir polímeros , micelas , osmolitos , tinta, lodo o pintura dispersos en una fase continua. ^{[1] [4]}

Las fuerzas de agotamiento a menudo se consideran fuerzas entrópicas , como lo explicó por primera vez el modelo establecido de Asakura-Oosawa. ^{[5] [6]} En esta teoría, la fuerza de agotamiento surge de un aumento en la presión osmótica de la solución circundante cuando las partículas coloidales se acercan lo suficiente como para que los cosolutos excluidos (agotadores) no puedan caber entre ellas. ^[7] Debido a que las partículas fueron consideradas como partículas de núcleo duro (completamente rígidas), la imagen emergente del mecanismo subyacente que inducía la fuerza era necesariamente entrópica.

Causas

Esterico

El sistema de coloides y empobrecedores en solución normalmente se modela tratando los coloides grandes y los empobrecedores pequeños como esferas duras de diferentes tamaños . ^[1] Las esferas duras se caracterizan por ser esferas impenetrables y que no interactúan. Estas dos propiedades fundamentales de las esferas duras se describen matemáticamente mediante el potencial de la esfera dura . El potencial de la esfera dura impone una restricción estérica alrededor de esferas grandes, lo que a su vez da lugar a un volumen excluido , es decir, un volumen que no está disponible para que lo ocupen esferas pequeñas. ^[7]

Potencial de esfera dura

En una dispersión coloidal, el potencial de interacción coloide-coloide se aproxima al potencial de interacción entre dos esferas duras. Para dos esferas duras de diámetro de , el potencial de interacción en función de la separación entre partículas es: ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle V(h)=\left\{{\begin{matrix}0&{\mbox{if}}\quad h\geq \sigma \\\infty &{\mbox{if}}\quad h<\sigma \end{matrix}}\right.}$

llamado potencial de esfera dura, donde es la distancia de centro a centro entre las esferas. ^[8] ${\displaystyle h}$

Si tanto los coloides como las partículas agotadoras están en dispersión , existe un potencial de interacción entre las partículas coloidales y las partículas agotadoras que se describe de manera similar mediante el potencial de esfera dura. ^[7] Nuevamente, aproximando las partículas a esferas duras, el potencial de interacción entre coloides de diámetro y soles empobrecidos de diámetro es: ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle V(h)=\left\{{\begin{matrix}0&{\mbox{if}}\quad h\geq {\Big (}{\frac {D+d}{2}}{\Big )}\\\infty &{\mbox{if}}\quad h<{\Big (}{\frac {D+d}{2}}{\Big )}\end{matrix}}\right.}$

¿Dónde está la distancia de centro a centro entre las esferas? Normalmente, las partículas agotadoras son muy pequeñas en comparación con los coloides, por lo que ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle d\ll D}$

La consecuencia subyacente del potencial de esfera dura es que los coloides dispersos no pueden penetrar entre sí y no tienen atracción o repulsión mutua.

Volumen excluido

Los volúmenes excluidos de esferas duras se superponen, lo que da como resultado un aumento en el volumen total disponible para las esferas agotadas. Esto aumenta la entropía del sistema y reduce la energía libre de Helmholtz.

Cuando tanto las partículas coloidales grandes como las pequeñas empobrecedoras están en suspensión , hay una región que rodea cada partícula coloidal grande que no está disponible para que la ocupen los centros de los empobrecedores. Esta restricción estérica se debe al potencial de esfera dura que agota los coloides. ^{[7] [8]} El volumen de la región excluida es

${\displaystyle V_{\mathrm {E} }={\frac {\pi {\big (}D+d{\big )}^{3}}{3}}}$

donde es el diámetro de las esferas grandes y es el diámetro de las esferas pequeñas. ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle d}$

Cuando las esferas grandes se acercan lo suficiente, los volúmenes excluidos que rodean las esferas se cruzan. Los volúmenes superpuestos dan como resultado un volumen excluido reducido, es decir, un aumento en el volumen libre total disponible para las esferas pequeñas. ^{[1] [4]} El volumen excluido reducido, se puede escribir ${\displaystyle V'_{\mathrm {E} }}$

${\displaystyle V'_{\mathrm {E} }=V_{\mathrm {E} }-{\frac {2\pi l^{2}}{3}}{\bigg [}{\frac {3\left(D+d\right)}{2}}-l{\bigg ]}}$

donde es la mitad del ancho de la región en forma de lente de volumen de superposición formada por casquetes esféricos. El volumen disponible para esferas pequeñas es la diferencia entre el volumen total del sistema y el volumen excluido. Para determinar el volumen disponible para esferas pequeñas, se pueden distinguir dos casos: primero, la separación de las esferas grandes es lo suficientemente grande como para que las esferas pequeñas puedan penetrar entre ellas; en segundo lugar, las esferas grandes están lo suficientemente cerca como para que las esferas pequeñas no puedan penetrar entre ellas. ^[7] Para cada caso, el volumen disponible para esferas pequeñas viene dado por ${\displaystyle l=(D+d)/2-h/2}$ ${\displaystyle V_{\mathrm {A} }}$

${\displaystyle V_{\mathrm {A} }=\left\{{\begin{matrix}V-V_{\mathrm {E} }&{\mbox{if}}\quad h\geq D+d\\V-V'_{\mathrm {E} }&{\mbox{if}}\quad h<D+d\end{matrix}}\right.}$

En el último caso, se agotan pequeñas esferas de la región entre partículas entre esferas grandes y se produce una fuerza de agotamiento.

Termodinámica

La fuerza de agotamiento se describe como fuerza entrópica porque es fundamentalmente una manifestación de la segunda ley de la termodinámica , que establece que un sistema tiende a aumentar su entropía . ^[7] La ​​ganancia de entropía traslacional de los agotadores, debido al aumento del volumen disponible, es mucho mayor que la pérdida de entropía por la floculación de los coloides. ^[4] El cambio positivo en la entropía reduce la energía libre de Helmholtz y provoca que la floculación coloidal se produzca espontáneamente. El sistema de coloides y empobrecedores en una solución se modela como un conjunto canónico de esferas duras para determinaciones estadísticas de cantidades termodinámicas. ^[7]

Sin embargo, experimentos recientes ^{[9] [10] [11]} y modelos teóricos ^{[12] [13]} encontraron que las fuerzas de agotamiento pueden ser impulsadas entálpicamente. En estos casos, el intrincado equilibrio de interacciones entre los componentes de la solución da como resultado la exclusión neta del cosoluto de la macromolécula. Esta exclusión da como resultado una estabilización efectiva de la autoasociación de macromoléculas, que no sólo puede estar dominada entálpicamente, sino también entrópicamente desfavorable.

Entropía y energía de Helmholtz

El volumen total disponible para esferas pequeñas aumenta cuando los volúmenes excluidos alrededor de esferas grandes se superponen. El mayor volumen asignado a las esferas pequeñas les permite una mayor libertad de traslación, lo que aumenta su entropía. ^[1] Debido a que el conjunto canónico es un sistema atérmico a un volumen constante, la energía libre de Helmholtz se escribe

${\displaystyle A=-TS}$

donde es la energía libre de Helmholtz, es la entropía y es la temperatura. La ganancia neta de entropía del sistema es positiva debido al aumento de volumen, por lo que la energía libre de Helmholtz es negativa y la floculación por agotamiento ocurre espontáneamente. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle T}$

La energía libre del sistema se obtiene a partir de una definición estadística de energía libre de Helmholtz.

${\displaystyle A=-k_{\mathrm {B} }T\ln Q}$

¿Dónde está la función de partición del conjunto canónico? La función de partición contiene información estadística que describe el conjunto canónico, incluido su volumen total, el número total de esferas pequeñas, el volumen disponible para que las ocupen las esferas pequeñas y la longitud de onda de De Broglie . ^[7] Si se suponen esferas duras, la función de partición es ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle Q={\frac {V_{\mathrm {A} }^{N}}{N!\Lambda ^{3N}}}}$

El volumen disponible para esferas pequeñas se calculó anteriormente. es el número de esferas pequeñas y es la longitud de onda de De Broglie . Sustituyendo en la definición estadística, la energía libre de Helmholtz ahora dice ${\displaystyle V_{\mathrm {A} }}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle Q}$

${\displaystyle A=-k_{\mathrm {B} }T\ln {\bigg (}{\frac {V_{\mathrm {A} }^{N}}{N!\Lambda ^{3N}}}{\bigg )}}$

La magnitud de la fuerza de agotamiento es igual al cambio en la energía libre de Helmholtz con la distancia entre dos esferas grandes y viene dada por ^[7] ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$

${\displaystyle {\mathcal {F}}=-{\bigg (}{\frac {\partial A}{\partial h}}{\bigg )}_{T}}$

En algunos casos se demostró experimentalmente la naturaleza entrópica de las fuerzas de agotamiento. Por ejemplo, algunos crowders poliméricos inducen fuerzas de agotamiento entrópico que estabilizan las proteínas en su estado nativo. ^{[14] [15] [16]} Otros ejemplos incluyen muchos sistemas con interacciones únicamente de núcleo duro. ^[17]

Presión osmótica

La fuerza de agotamiento es un efecto del aumento de la presión osmótica en la solución circundante. Cuando los coloides se acercan lo suficiente, es decir, cuando sus volúmenes excluidos se superponen, los empobrecedores son expulsados ​​de la región entre partículas. Esta región entre coloides se convierte entonces en una fase de disolvente puro. Cuando esto ocurre, hay una mayor concentración de agotador en la solución circundante que en la región entre partículas. ^{[4] [7]} El gradiente de densidad resultante da lugar a una presión osmótica que es de naturaleza anisotrópica , que actúa en los lados exteriores de los coloides y promueve la floculación. ^[18] Si se emplea la aproximación de esfera dura, la presión osmótica es:

${\displaystyle p_{0}=\rho k_{\mathrm {B} }T}$

donde es la presión osmótica y es la densidad numérica de esferas pequeñas y es la constante de Boltzmann . ${\displaystyle p_{0}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$

El modelo Asakura-Oosawa

Las fuerzas de agotamiento fueron descritas por primera vez por Sho Asakura y Fumio Oosawa en 1954. En su modelo, la fuerza siempre se considera atractiva. Además, se considera que la fuerza es proporcional a la presión osmótica . El modelo Asakura-Oosawa supone bajas densidades de macromoléculas y que la distribución de densidad, de las macromoléculas es constante. Asakura y Oosawa describieron cuatro casos en los que se producirían fuerzas de agotamiento. Primero describieron el caso más general como dos placas sólidas en una solución de macromoléculas. Los principios del primer caso se ampliaron luego a tres casos adicionales. ^[18] ${\displaystyle \rho (r)}$

Dos placas en una solución de macromoléculas. Las macromoléculas quedan excluidas de entre las placas. Esto da como resultado un disolvente puro entre las placas y una fuerza igual a la presión osmótica que actúa sobre las placas.

Cambio de energía libre debido a la fuerza de agotamiento.

En el modelo de Asakura-Oosawa para las fuerzas de agotamiento, el cambio de energía libre impuesto por un cosoluto excluido, es: ${\displaystyle \Delta G}$

${\displaystyle \Delta G(r)=\Pi \Delta V_{exclusion}}$

donde es la presión osmótica y es el cambio en el volumen excluido (que está relacionado con el tamaño y la forma molecular). Se puede obtener el mismo resultado utilizando la teoría de la solución de Kirkwood-Buff . ^[13] ${\displaystyle \Pi }$ ${\displaystyle \Delta V_{exclusion}}$

Placas sólidas en una solución de macromoléculas.

En el primer caso, se colocan dos placas sólidas en una solución de macromoléculas esféricas rígidas. ^[5] Si la distancia entre dos placas, es menor que el diámetro de las moléculas de soluto , entonces ningún soluto puede entrar entre las placas. Esto da como resultado que exista disolvente puro entre las placas. La diferencia en la concentración de macromoléculas en la solución entre las placas y la solución en masa hace que una fuerza igual a la presión osmótica actúe sobre las placas. En una solución muy diluida y monodispersa la fuerza está definida por ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle p=k_{\mathrm {B} }TN\left({\frac {\partial \ln Q}{\partial a}}\right)}$

En el primer caso, la fuerza sobre las placas es cero hasta que el diámetro de las macromoléculas es mayor que la distancia entre las placas. En el caso dos, la fuerza aumenta a medida que aumenta la longitud de las varillas.

donde es la fuerza y ​​es el número total de moléculas de soluto. La fuerza hace que la entropía de las macromoléculas aumente y sea atractiva cuando ^[18] ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle a<d}$

Macromoléculas en forma de bastón

Asakura y Oosawa describieron el segundo caso como consistente en dos placas en una solución de macromoléculas en forma de varilla. Las macromoléculas en forma de varilla se describen con una longitud, donde , el área de las placas. A medida que aumenta la longitud de las varillas, la concentración de las varillas entre las placas disminuye ya que resulta más difícil para las varillas entrar entre las placas debido a impedimentos estéricos. Como resultado, la fuerza que actúa sobre las placas aumenta con la longitud de las varillas hasta que se vuelve igual a la presión osmótica. ^[5] En este contexto, vale la pena mencionar que incluso la transición isotrópica-nemática de los cristales líquidos liotrópicos , como se explicó por primera vez en la teoría de Onsager, ^[19] puede considerarse en sí misma un caso especial de fuerzas de agotamiento. ^[20] ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle l^{2}\ll A}$

Placas en una solución de polímeros.

El tercer caso descrito por Asakura y Oosawa son dos placas en una solución de polímeros. Debido al tamaño de los polímeros, la concentración de polímeros en las proximidades de las placas se reduce, lo que da como resultado una disminución de la entropía conformacional de los polímeros. El caso se puede aproximar modelándolo como difusión en un recipiente con paredes que absorben las partículas en difusión. La fuerza, , se puede entonces calcular de la siguiente manera: ${\displaystyle p}$

${\displaystyle p=-Ap_{o}{\Bigg \{}(1-f)-a\left({\frac {\partial f}{\partial a}}\right){\Bigg \}}}$

En esta ecuación está la atracción por el efecto osmótico. Es la repulsión debida a las moléculas en cadena confinadas entre placas. es del orden de , la distancia media de un extremo a otro de las moléculas de cadena en el espacio libre. ^[7] ${\displaystyle 1-f}$ ${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial a}}}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle \langle r\rangle }$

Grandes esferas duras en una solución de pequeñas esferas duras.

El último caso descrito por Asakura y Oosawa describe dos esferas grandes y duras de diámetro , en una solución de esferas pequeñas y duras de diámetro . Si la distancia entre los centros de las esferas, , es menor que , entonces las esferas pequeñas quedan excluidas del espacio entre las esferas grandes. Esto da como resultado que el área entre las esferas grandes tenga una concentración reducida de esferas pequeñas y, por lo tanto, una entropía reducida. Esta entropía reducida hace que una fuerza actúe sobre las grandes esferas que las empujan entre sí. ^[7] Este efecto se demostró de manera convincente en experimentos con materiales granulares vibrofluidizados donde la atracción se puede visualizar directamente. ^{[21] [22]} ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle (D+d)}$

Mejoras en el modelo Asakura-Oosawa

Aproximación de Derjaguin

Teoría

Asakura y Oosawa supusieron bajas concentraciones de macromoléculas. Sin embargo, a altas concentraciones de macromoléculas, los efectos de correlación estructural en el líquido macromolecular se vuelven importantes. Además, la fuerza de interacción repulsiva aumenta fuertemente para valores grandes de (radio grande/radio pequeño). ^[18] Para tener en cuenta estas cuestiones, se ha aplicado a las fuerzas de agotamiento la aproximación de Derjaguin , que es válida para cualquier tipo de ley de fuerza. La aproximación de Derjaguin relaciona la fuerza entre dos esferas con la fuerza entre dos placas. Luego, la fuerza se integra entre pequeñas regiones de una superficie y la superficie opuesta, que se supone que es localmente plana. ^[7] ${\displaystyle R/r}$

La aproximación de Derjaguin relaciona la fuerza entre dos esferas con la fuerza entre dos placas.

Ecuaciones

Si hay dos esferas de radios y sobre el eje, y las esferas están separadas por una distancia, donde es mucho menor que y , entonces la fuerza, , en la dirección es ${\displaystyle R_{1}}$ ${\displaystyle R_{2}}$ ${\displaystyle Z}$ ${\displaystyle h+R_{1}+R_{2}}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle R_{1}}$ ${\displaystyle R_{2}}$ ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle z}$

${\displaystyle F(h)\approx 2\pi \left({\frac {R_{1}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\right)W(h)}$

En esta ecuación, y es la fuerza normal por unidad de área entre dos superficies planas separadas entre sí. ${\displaystyle W(h)=\textstyle \int _{h}^{\infty }f(z)dz}$ ${\displaystyle f(z)}$ ${\displaystyle z}$

Cuando se aplica la aproximación de Derjaguin a las fuerzas de agotamiento, y 0<h<2Rs, entonces la fuerza de agotamiento dada por la aproximación de Derjaguin es

${\displaystyle F(h)=-\pi \epsilon \left(R_{B}+R_{S}\right){\big [}p(\rho )(2R_{S}-h)+\gamma (\rho ,\infty ){\big ]}}$

En esta ecuación, es el factor geométrico, que se establece en 1, y , la tensión interfacial en la interfaz pared-fluido. ^[7] ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \gamma (\rho ,\infty )=2\gamma (\rho )}$

Teoría funcional de la densidad

Teoría

Asakura y Oosawa supusieron una densidad de partículas uniforme, lo cual es cierto en una solución homogénea. Sin embargo, si se aplica un potencial externo a una solución, entonces la densidad uniforme de las partículas se altera, lo que invalida la suposición de Asakura y Oosawa. La teoría del funcional de densidad explica las variaciones en la densidad de las partículas mediante el uso del gran potencial canónico . El gran potencial canónico, que es una función de estado para el gran conjunto canónico , se utiliza para calcular la densidad de probabilidad de estados microscópicos en estado macroscópico. Cuando se aplica a las fuerzas de agotamiento, el gran potencial canónico calcula las densidades de partículas locales en una solución. ^[7]

Ecuaciones

La teoría del funcional de densidad establece que cuando cualquier fluido está expuesto a un potencial externo, entonces todas las cantidades de equilibrio se convierten en funciones del perfil de densidad numérica . Como resultado, se minimiza la energía libre total. El Gran potencial canónico, , se escribe entonces ${\displaystyle V(R)}$ ${\displaystyle \rho (R)}$ ${\displaystyle \Omega \left({\big [}\rho (R){\big ]};\mu ,T\right)}$

${\displaystyle \Omega \left({\big [}\rho (R){\big ]};\mu ,T\right)=A\left({\big [}\rho (R){\big ]};T\right)-\int d^{3}R{\big [}\mu -V(R){\big ]}\rho (R),}$

donde está el potencial químico, la temperatura y la energía libre de Helmholtz . ^[23] ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle A[\rho ]}$

Fuerzas de agotamiento entálpico

El modelo original de Asakura-Oosawa consideraba sólo interacciones intensas. En tal mezcla atérmica el origen de las fuerzas de agotamiento es necesariamente entrópico. Si los potenciales intermoleculares también incluyen términos repulsivos y/o atractivos, y si el disolvente se considera explícitamente, la interacción de agotamiento puede tener contribuciones termodinámicas adicionales.

La idea de que las fuerzas de agotamiento también pueden ser impulsadas entálpicamente ha surgido debido a experimentos recientes sobre la estabilización de proteínas inducida por osmolitos compatibles, como la trehalosa , el glicerol y el sorbitol . Estos osmolitos están preferentemente excluidos de las superficies de las proteínas, formando una capa de hidratación preferencial alrededor de las proteínas. Cuando la proteína se pliega, este volumen de exclusión disminuye, lo que hace que el estado plegado tenga menos energía libre. Por tanto, los osmolitos excluidos desplazan el equilibrio de plegamiento hacia el estado plegado. En general, se pensaba que este efecto era una fuerza entrópica, en el espíritu del modelo original de Asakura-Oosawa y del hacinamiento macromolecular . Sin embargo, la descomposición termodinámica de la ganancia de energía libre debida a la adición de osmolitos mostró que el efecto es, de hecho, impulsado entálpicamente, mientras que la entropía puede incluso ser desfavorable. ^{[9] [10] [11] [13] [24]}

En muchos casos, el origen molecular de esta fuerza de agotamiento impulsada entálpicamente se puede rastrear hasta una repulsión "suave" efectiva en el potencial de la fuerza media entre la macromolécula y el cosoluto. Tanto las simulaciones de Monte-Carlo como un modelo analítico simple demuestran que cuando el potencial del núcleo duro (como en el modelo de Asakura y Oosawa) se complementa con una interacción repulsiva "más suave" adicional, la fuerza de agotamiento puede llegar a ser dominada entálpicamente. ^[12]

Medición y experimentación.

Las fuerzas de agotamiento se han observado y medido utilizando una variedad de instrumentos que incluyen microscopía de fuerza atómica , pinzas ópticas y máquinas de equilibrio de fuerzas hidrodinámicas.

Fuerza atómica microscópica

La microscopía de fuerza atómica (AFM) se utiliza comúnmente para medir directamente la magnitud de las fuerzas de agotamiento. Este método utiliza la desviación de un voladizo muy pequeño que entra en contacto con una muestra que se mide con un láser. La fuerza necesaria para provocar una cierta desviación del haz se puede determinar a partir del cambio de ángulo del láser. La pequeña escala del AFM permite medir directamente las partículas de dispersión , lo que produce una medición relativamente precisa de las fuerzas de agotamiento. ^[25]

Pinzas ópticas

La fuerza necesaria para separar dos partículas coloides se puede medir con unas pinzas ópticas . Este método utiliza un rayo láser enfocado para aplicar una fuerza de atracción o repulsión sobre micro y nanopartículas dieléctricas. Esta técnica se utiliza con partículas de dispersión aplicando una fuerza que resiste las fuerzas de agotamiento. Luego se mide el desplazamiento de las partículas y se utiliza para encontrar la fuerza de atracción entre las partículas.

Equilibrio de fuerzas hidrodinámicas

Las máquinas HFB miden la fuerza de las interacciones de las partículas utilizando un flujo de líquido para separar las partículas. Este método se utiliza para encontrar la fuerza de agotamiento adhiriendo a una placa estática una partícula en un doblete de partículas de dispersión y aplicando fuerza de corte a través del flujo de fluido. El arrastre creado por las partículas de dispersión resiste la fuerza de agotamiento entre ellas, alejando la partícula libre de la partícula adherida. Se puede utilizar un equilibrio de fuerzas de las partículas en el momento de la separación para determinar la fuerza de agotamiento entre las partículas. ^[26]

Desestabilización coloidal

Mecanismo

Las fuerzas de agotamiento se utilizan ampliamente como método para desestabilizar los coloides . Al introducir partículas en una dispersión coloidal , se pueden inducir fuerzas de agotamiento de atracción entre partículas dispersas. Estas interacciones atractivas unen las partículas dispersas dando como resultado la floculación . ^{[27] [28]} Esto desestabiliza el coloide ya que las partículas ya no están dispersas en el líquido sino que se concentran en formaciones de flóculos . Luego, los flóculos se eliminan fácilmente mediante procesos de filtración , dejando un líquido puro no disperso. ^[29]

Tratamiento de aguas

El uso de fuerzas de agotamiento para iniciar la floculación es un proceso común en el tratamiento de agua. El tamaño relativamente pequeño de las partículas dispersas en las aguas residuales hace que los métodos de filtración típicos sean ineficaces. Sin embargo, si la dispersión se desestabiliza y se produce floculación , las partículas se pueden filtrar para producir agua pura. Por lo tanto, normalmente se introducen coagulantes y floculantes en las aguas residuales que crean estas fuerzas de agotamiento entre las partículas dispersas. ^{[27] [29]}

Elaboración de vino

Algunos métodos de producción de vino también utilizan fuerzas de agotamiento para eliminar las partículas dispersas del vino. En el vino se pueden encontrar partículas coloidales no deseadas que se originan en el mosto o se producen durante el proceso de elaboración del vino. Estas partículas suelen consistir en carbohidratos , moléculas de pigmentación o proteínas que pueden afectar negativamente al sabor y la pureza del vino. ^[30] Por lo tanto, a menudo se agregan floculantes para inducir la precipitación de los flóculos y facilitar la filtración .

Floculantes comunes

La siguiente tabla enumera los floculantes comunes junto con sus fórmulas químicas, carga eléctrica neta , peso molecular y aplicaciones actuales.

Sistemas biológicos

Hay sugerencias de que las fuerzas de agotamiento pueden contribuir significativamente en algunos sistemas biológicos, específicamente en las interacciones de membrana entre células o cualquier estructura membranosa. ^[28] Con concentraciones de moléculas grandes como proteínas o carbohidratos en la matriz extracelular , es probable que se observen algunos efectos de fuerza de agotamiento entre células o vesículas que están muy cerca. Sin embargo, debido a la complejidad de la mayoría de los sistemas biológicos, es difícil determinar en qué medida estas fuerzas de agotamiento influyen en las interacciones de las membranas. ^[28] Se han desarrollado modelos de interacciones de vesículas con fuerzas de agotamiento, pero están muy simplificados y su aplicabilidad a sistemas biológicos reales es cuestionable.

Generalización: coloides anisotrópicos y sistemas sin polímeros.

Las fuerzas de agotamiento en las mezclas de coloide y polímero impulsan a los coloides a formar agregados que están densamente empaquetados localmente. Este empaquetamiento denso local también se observa en sistemas coloidales sin agotamiento de polímeros. Sin depletores de polímeros, el mecanismo es similar, porque las partículas en suspensión coloidal densa actúan, efectivamente, como depletores entre sí ^[31]. Este efecto es particularmente sorprendente para partículas coloidales con forma anisotrópica, donde la anisotropía de la forma conduce a la aparición de partículas direccionales. fuerzas entrópicas ^{[31] [32]} que son responsables del ordenamiento de coloides anisotrópicos duros en una amplia gama de estructuras cristalinas. ^[33]

Referencias

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