🧪 Koloidy

Gdy bariera energetyczna zostanie usunięta przez sól, każde zderzenie między cząstkami lub klastrami kończy się trwałym sklejeniem. Powstały w ten sposób proces wzrostu nazywa się agregacją klastrów limitowaną dyfuzją (DLCA). Klastry powstające w procesie DLCA są obiektami fraktalnymi o charakterystycznym wymiarze fraktalnym d_f ≈ 1,8 w 2D, co oznacza, że są znacznie bardziej otwarte i rzadkie niż zwarte kule (d_f = 2). Tę strukturę fraktalną można zmierzyć na podstawie nachylenia wykresu log(masa klastra) względem log(promień klastra).

Temperatura odgrywa dwie konkurujące role: wyższa T zwiększa impuls Browna (D ∝ T), sprawiając, że cząstki poruszają się szybciej i zderzają się częściej, ale dodaje też energię cieplną k_B T, która pomaga cząstkom pokonać barierę energetyczną DLVO. W większości układów podniesienie temperatury zmniejsza stabilność, choć w koloidach stabilizowanych ładunkiem, gdzie potencjał dzeta rośnie wraz z T, efekt ten może zostać odwrócony.

Stała Hamakera A opisuje, jak silnie dwa materiały przyciągają się wzajemnie siłami van der Waalsa; typowe wartości mieszczą się w zakresie od 10⁻²¹ J (słabe, np. polistyren w wodzie) do 10⁻¹⁹ J (silne, np. metale w próżni). Suwak „lepkości” w tej symulacji skaluje głębokość minimum pierwotnego - zwiększanie go sprawia, że cząstki łatwiej się sklejają po zetknięciu, naśladując większą stałą Hamakera.

Potencjał dzeta ζ to potencjał elektryczny na płaszczyźnie poślizgu podwójnej warstwy otaczającej cząstkę, wyrażany zwykle w miliwoltach. Cząstki o |ζ| > 30 mV są generalnie uznawane za stabilne, ponieważ bariera odpychająca jest wystarczająco wysoka, by zapobiec agregacji w temperaturze pokojowej. Potencjał dzeta można zmierzyć metodą elektroforezy i jest on rutynowo stosowany w kontroli jakości farmaceutyków i materiałów do przewidywania okresu trwałości.

Grawitacja ściąga gęstsze cząstki ku dołowi z prędkością określoną prawem Stokesa: v = 2r²(ρ_p − ρ_f)g / (9η). Dla cząstek mniejszych niż około 100 nm w wodzie ruch Browna przeciwdziała sedymentacji, a zawiesina pozostaje kinetycznie stabilna przez miesiące. Większe cząstki lub materiały o wysokiej gęstości sedymentują szybko. Gdy w symulacji włączona jest grawitacja, klastry opadają z prędkością zależną od ich rozmiaru, tworząc widoczne gradienty stężenia.

CCC to stężenie soli, przy którym bariera energetyczna dokładnie znika i rozpoczyna się szybka agregacja. Zgodnie z regułą Schulzego-Hardy'ego CCC skaluje się odwrotnie proporcjonalnie do szóstej potęgi wartościowości przeciwjonu - dlatego zastąpienie jednowartościowego Na⁺ dwuwartościowym Ca²⁺ może obniżyć CCC nawet 64-krotnie. Ta reguła wyjaśnia, dlaczego woda morska (zawierająca Mg²⁺ i Ca²⁺) szybko flokuluje osad rzeczny, gdy oba nurty się spotykają w estuarium.

Wymiar fraktalny d_f opisuje, jak masa klastra M skaluje się z promieniem R: M ∝ R^(d_f). Zwarty dysk ma d_f = 2; prosta linia ma d_f = 1. Klastry DLCA mają zwykle d_f ≈ 1,78 w 2D, co wskazuje na rozgałęzioną, rzadką strukturę. Zwiększając stężenie soli i obserwując wzrost klastrów, możesz zaobserwować, jak ta wartość wyłania się ze statystyk, i zweryfikować, że agregacja zachodzi w reżimie limitowanym dyfuzją.

Niemal każdy płynny produkt konsumencki wykorzystuje naukę o koloidach: atramenty do drukarek atramentowych nie mogą się aglomerować w kartridżu, ale muszą koalescencyjnie osiadać na papierze; zawiesiny nanocząstek ZnO lub TiO₂ w kremach z filtrem muszą pozostać równomiernie zdyspergowane; nanocząstki leków do wstrzykiwań muszą przetrwać w osoczu krwi wystarczająco długo, by dotrzeć do guza. Procesy przemysłowe, takie jak uzdatnianie wody, celowo wywołują koagulację, aby usunąć zawieszoną glinę i materię organiczną przed filtracją.