La deposición de partículas es la unión espontánea de partículas a las superficies. Las partículas en cuestión son normalmente partículas coloidales , mientras que las superficies involucradas pueden ser planas, curvadas o pueden representar partículas de tamaño mucho mayor que las que se depositan (por ejemplo, granos de arena). Los procesos de deposición pueden desencadenarse mediante condiciones de flujo hidrodinámico apropiadas e interacciones favorables entre las partículas y la superficie. Las partículas depositadas pueden simplemente formar una monocapa que inhibe aún más la deposición adicional de partículas y, por lo tanto, nos referimos al bloqueo de la superficie . Las partículas inicialmente adheridas también pueden servir como semillas para una mayor deposición de partículas, lo que conduce a la formación de depósitos de partículas más espesas, y este proceso se denomina maduración superficial o incrustación . Si bien los procesos de deposición son normalmente irreversibles, las partículas depositadas inicialmente también pueden desprenderse. Este último proceso se conoce como liberación de partículas y, a menudo, se desencadena mediante la adición de productos químicos apropiados o una modificación en las condiciones de flujo.
Los microorganismos pueden depositarse en las superficies de forma similar a las partículas coloidales. Cuando macromoléculas, como proteínas , polímeros o polielectrolitos , se adhieren a superficies, a este proceso se le llama más bien adsorción . Si bien la adsorción de macromoléculas se parece en gran medida a la deposición de partículas, las macromoléculas pueden deformarse sustancialmente durante la adsorción. El presente artículo trata principalmente de la deposición de partículas de líquidos, pero se produce un proceso similar cuando se depositan aerosoles o polvo de la fase gaseosa.
Una partícula puede difundirse a una superficie en condiciones de reposo, pero este proceso es ineficiente ya que se desarrolla una capa gruesa de agotamiento, lo que conduce a una desaceleración progresiva de la deposición. Cuando la deposición de partículas es eficiente, se produce casi exclusivamente en un sistema bajo flujo. En tales condiciones, el flujo hidrodinámico transportará las partículas cerca de la superficie. Una vez que una partícula se sitúa cerca de la superficie, se unirá espontáneamente, cuando las interacciones partícula-superficie sean atractivas. En esta situación se habla de condiciones de depósito favorables . Cuando la interacción es repulsiva a distancias mayores, pero atractiva a distancias más cortas, la deposición seguirá produciéndose pero se ralentizará. Se habla aquí de condiciones de depósito desfavorables . Las etapas iniciales del proceso de deposición se pueden describir con la ecuación de velocidad [1]
dónde ; es la densidad numérica de las partículas depositadas, es el tiempo, la concentración del número de partículas y el coeficiente de tasa de deposición. El coeficiente de velocidad depende de la velocidad del flujo, la geometría del flujo y el potencial de interacción de la partícula que se deposita con el sustrato. En muchas situaciones, este potencial puede aproximarse mediante una superposición de fuerzas atractivas de van der Waals y fuerzas eléctricas repulsivas de doble capa y puede describirse mediante la teoría DLVO . Cuando la carga de las partículas es del mismo signo que la del sustrato, la deposición será favorable a niveles altos de sal, mientras que será desfavorable a niveles bajos de sal. Cuando la carga de las partículas es de signo opuesto al del sustrato, la deposición es favorable para todos los niveles de sal, y se observa un pequeño aumento de la velocidad de deposición al disminuir el nivel de sal debido a las fuerzas de atracción electrostática de doble capa. Las etapas iniciales del proceso de deposición son relativamente similares a las primeras etapas de la heteroagregación de partículas , en las que una de las partículas es mucho más grande que la otra.
Cuando las partículas depositadas se repelen entre sí, la deposición se detendrá cuando se hayan depositado suficientes partículas. En un momento dado, dicha capa superficial repelerá cualquier partícula que aún pueda intentar depositarse. Se dice que la superficie está saturada o bloqueada por las partículas depositadas. El proceso de bloqueo se puede describir mediante la siguiente ecuación [2]
¿Dónde está la función de bloqueo de la superficie? Cuando no haya partículas depositadas, y . A medida que aumenta la densidad numérica de las partículas depositadas, la función de bloqueo disminuye. La superficie se satura en y . La función de bloqueo más simple es [3]
y se le conoce como función de bloqueo de Langmuir, ya que está relacionada con la isoterma de Langmuir .
El proceso de bloqueo se ha estudiado en detalle en términos del modelo de adsorción secuencial aleatoria (RSA). [4] El modelo RSA más simple relacionado con la deposición de partículas esféricas considera la adsorción irreversible de discos circulares. Un disco tras otro se coloca aleatoriamente en una superficie. Una vez que se coloca un disco, se pega en el mismo lugar y no se puede quitar. Cuando un intento de depositar un disco resulta en una superposición con un disco ya depositado, este intento se rechaza. Dentro de este modelo, la superficie se llena inicialmente rápidamente, pero cuanto más se acerca a la saturación, más lento se llena la superficie. Dentro del modelo RSA, la saturación se denomina interferencia. Para discos circulares, el atasco se produce con una cobertura de 0,547. Cuando las partículas depositantes son polidispersas, se puede alcanzar una cobertura superficial mucho mayor, ya que las partículas pequeñas podrán depositarse en los orificios entre las partículas depositadas más grandes. Por otro lado, las partículas en forma de varillas pueden dar lugar a una cobertura mucho menor, ya que unas pocas varillas desalineadas pueden bloquear una gran parte de la superficie.
Dado que la repulsión entre partículas en suspensiones acuosas se origina por fuerzas eléctricas de doble capa, la presencia de sal tiene un efecto importante en el bloqueo de la superficie. Para partículas pequeñas y bajas en sal, la capa difusa se extenderá mucho más allá de la partícula y, por lo tanto, creará una zona de exclusión a su alrededor. Por lo tanto, la superficie se bloqueará con una cobertura mucho menor de lo que se esperaría según el modelo RSA. [5] Con mayor contenido de sal y partículas más grandes, este efecto es menos importante y la deposición puede describirse bien mediante el modelo RSA.
Cuando las partículas depositadas se atraen entre sí, se depositarán y agregarán al mismo tiempo. Esta situación dará como resultado una capa porosa formada por agregados de partículas en la superficie y se denomina maduración. La porosidad de esta capa dependerá de si el proceso de agregación de partículas es rápido o lento. La agregación lenta dará lugar a una capa más compacta, mientras que la agregación rápida dará lugar a una más porosa. La estructura de la capa se parecerá a la estructura de los agregados formados en las últimas etapas del proceso de agregación.
La deposición de partículas puede ir seguida de diversas técnicas experimentales. La observación directa de las partículas depositadas es posible con un microscopio óptico , un microscopio electrónico de barrido o un microscopio de fuerza atómica . La microscopía óptica tiene la ventaja de que la deposición de partículas se puede seguir en tiempo real mediante técnicas de vídeo y la secuencia de imágenes se puede analizar cuantitativamente. [6] Por otro lado, la resolución de la microscopía óptica requiere que el tamaño de partícula investigada supere al menos 100 nm.
Una alternativa es utilizar técnicas sensibles a la superficie para seguir la deposición de partículas, como la reflectividad , la elipsometría , la resonancia de plasmón superficial o la microbalanza de cristal de cuarzo . [5] Estas técnicas pueden proporcionar información sobre la cantidad de partículas depositadas en función del tiempo con buena precisión, pero no permiten obtener información sobre la disposición lateral de las partículas.
Otro enfoque para estudiar la deposición de partículas es investigar su transporte en una columna cromatográfica . La columna está llena de partículas grandes o de un medio poroso a investigar. A continuación se lava la columna con el disolvente a investigar y se inyecta la suspensión de las partículas pequeñas en la entrada de la columna. Las partículas se detectan en la salida con un detector cromatográfico estándar. Cuando las partículas se depositan en el medio poroso, no llegarán a la salida y, a partir de la diferencia observada, se puede inferir el coeficiente de tasa de deposición.
La deposición de partículas ocurre en numerosos sistemas naturales e industriales. A continuación se dan algunos ejemplos.
