Сила истощения - Википедия - Depletion force

А сила истощения эффективная сила притяжения, возникающая между большими коллоидный частицы, взвешенные в разбавленном растворе истощающие вещества, которые представляют собой более мелкие растворенные вещества, которые предпочтительно исключены из окрестностей крупных частиц.^[1][2] Одним из первых сообщений о силах истощения, которые приводят к коагуляции частиц, является сообщение Бонди, который наблюдал разделение или «вспенивание» латекса каучука при добавлении в раствор молекул истощающего полимер (альгината натрия).^[3] В более общем смысле, деплетанты могут включать: полимеры, мицеллы, осмолиты, чернила, грязь или краска, рассыпанные в непрерывная фаза.^[1][4]

Силы истощения часто рассматриваются как энтропийные силы, что впервые было объяснено установившейся моделью Асакуры – Осавы.^[5][6] В этой теории сила истощения возникает из-за увеличения осмотического давления окружающего раствора, когда коллоидные частицы приближаются достаточно близко, так что исключенные соколутерии (деплетанты) не могут поместиться между ними.^[7]Поскольку частицы считались твердыми (полностью жесткими) частицами, возникающая картина лежащего в основе механизма, индуцирующего силу, была обязательно энтропийной.

Причины

Стерики

Система коллоидов и деплетантов в растворе обычно моделируется путем обработки больших коллоидов и малых деплетантов как разного размера. твердые сферы.^[1] Твердые сферы характеризуются как невзаимодействующие и непроницаемые сферы. Эти два фундаментальных свойства твердых сфер математически описываются потенциал твердых сфер. Потенциал твердых сфер налагает стерические ограничения вокруг больших сфер, что, в свою очередь, приводит к исключенный объем, то есть объем, недоступный для малых сфер.^[7]

Потенциал твердых сфер

В коллоидной дисперсии потенциал взаимодействия коллоид-коллоид аппроксимируется как потенциал взаимодействия между двумя твердыми сферами. Для двух твердых сфер диаметром ${ displaystyle sigma}$, потенциал взаимодействия как функция расстояния между частицами равен:

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

называется потенциалом твердых сфер, где ${ displaystyle h}$ - межцентровое расстояние между сферами.^[8]

Если и коллоиды, и деплетанты находятся в разброс, существует потенциал взаимодействия между коллоидными частицами и частицами деплетанта, который аналогично описывается потенциалом твердых сфер.^[7] Опять же, приближая частицы к твердым сферам, потенциал взаимодействия между коллоидами диаметром ${ displaystyle D}$ и обедненные золи диаметром ${ displaystyle d}$ является:

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

куда ${ displaystyle h}$ - межцентровое расстояние между сферами. Обычно частицы деплетанта очень малы по сравнению с коллоидами, поэтому ${ displaystyle d ll D}$

Основным следствием потенциала твердых сфер является то, что диспергированные коллоиды не могут проникать друг в друга и не имеют взаимного притяжения или отталкивания.

Исключенный объем

Исключенные объемы твердых сфер перекрываются, что приводит к увеличению общего объема, доступного для истощающих веществ. Это увеличивает энтропию системы и снижает свободную энергию Гельмгольца.

Когда и крупные коллоидные частицы, и мелкие деплетанты находятся в приостановка, есть область, которая окружает каждую крупную коллоидную частицу, недоступную для центров деплетантов. Это стерическое ограничение происходит из-за потенциала твердых сфер, истощающего коллоиды.^[7][8] Объем исключенной области составляет

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

куда ${ displaystyle D}$ диаметр больших сфер и ${ displaystyle d}$ диаметр маленьких сфер.

Когда большие сферы подходят достаточно близко, исключенные объемы, окружающие сферы, пересекаются. Перекрывающиеся объемы приводят к уменьшению исключенного объема, то есть к увеличению общего свободного объема, доступного для малых сфер.^[1][4] Уменьшенный исключенный объем, ${ displaystyle V '_ { mathrm {E}}}$ можно написать

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

куда ${ displaystyle l = (D + d) / 2-h / 2}$ составляет половину ширины линзовидной области объема перекрытия, образованной сферическими крышками. Доступный объем ${ Displaystyle V _ { mathrm {A}}}$ для малых сфер - это разница между общим объемом системы и исключенным объемом. Чтобы определить доступный объем для маленьких сфер, есть два различных случая: во-первых, разделение больших сфер достаточно велико, чтобы маленькие сферы могли проникать между ними; во-вторых, большие сферы расположены достаточно близко, так что маленькие сферы не могут проникнуть между ними.^[7] Для каждого случая доступный объем для малых сфер равен

${ Displaystyle V _ { mathrm {A}} = left {{ begin {matrix} V-V _ { mathrm {E}} & { mbox {if}} quad h geq D + d V-V '_ { mathrm {E}} & { mbox {if}} quad h$

В последнем случае маленькие сферы истощаются из межчастичной области между большими сферами, и возникает сила истощения.

Термодинамика

Сила истощения описывается как энтропийный силу, потому что это, по сути, проявление второй закон термодинамики, который утверждает, что система имеет тенденцию увеличивать энтропия.^[7] Прирост поступательной энтропии истощителей из-за увеличения доступного объема намного больше, чем потеря энтропии от флокуляции коллоидов.^[4] Положительное изменение энтропии снижает Свободная энергия Гельмгольца и вызывает спонтанное возникновение коллоидной флокуляции. Система коллоидов и деплетантов в растворе моделируется как канонический ансамбль твердых сфер для статистического определения термодинамических величин.^[7]

Однако недавние эксперименты^[9][10][11] и теоретические модели^[12][13] обнаружили, что силы истощения могут быть вызваны энтальпией. В этих случаях сложный баланс взаимодействий между компонентами раствора приводит к чистому исключению косолюта из макромолекулы. Это исключение приводит к эффективной стабилизации самоассоциации макромолекул, которая может быть не только энтальпически доминируемой, но и энтропийно невыгодной.

Энтропия и энергия Гельмгольца

Общий объем, доступный для малых сфер, увеличивается, когда исключенные объемы вокруг больших сфер перекрываются. Увеличенный объем, отведенный для маленьких сфер, дает им большую свободу перемещения, что увеличивает их энтропию.^[1] Поскольку канонический ансамбль является атермальный система при постоянном объеме свободная энергия Гельмгольца записывается

${ Displaystyle A = -TS}$

куда ${ displaystyle A}$ свободная энергия Гельмгольца, ${ displaystyle S}$ энтропия и ${ displaystyle T}$ это температура. Чистый прирост энтропии системы положительный от увеличения объема, таким образом, свободная энергия Гельмгольца отрицательна, и флокуляция истощения происходит спонтанно.

Свободная энергия системы получается из статистического определения свободной энергии Гельмгольца

${ displaystyle A = -k _ { mathrm {B}} T ln Q}$

куда ${ displaystyle Q}$ это функция распределения для канонического ансамбля. Статистическая сумма содержит статистическую информацию, которая описывает канонический ансамбль, включая его общий объем, общее количество малых сфер, объем, доступный для малых сфер, который они могут занять, и длина волны де Бройля.^[7] Если предположить твердые сферы, статистическая сумма ${ displaystyle Q}$ является

${ displaystyle Q = { frac {V _ { mathrm {A}} ^ {N}} {N! Lambda ^ {3N}}}}$

Объем, доступный для маленьких сфер,${ Displaystyle V _ { mathrm {A}}}$ был рассчитан выше.${ displaystyle N}$ это количество маленьких сфер и ${ displaystyle Lambda}$ это длина волны де Бройля. Подстановка ${ displaystyle Q}$ в статистическом определении свободная энергия Гельмгольца теперь читается как

${ displaystyle A = -k _ { mathrm {B}} T ln { bigg (} { frac {V _ { mathrm {A}} ^ {N}} {N! Lambda ^ {3N}}} { bigg)}}$

Величина истощающей силы, ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ равна изменению свободной энергии Гельмгольца с расстоянием между двумя большими сферами и определяется выражением^[7]

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

Энтропийный характер сил истощения в ряде случаев доказан экспериментально. Например, некоторые полимерные краудеры вызывают силы энтропийного истощения, которые стабилизируют белки в их естественном состоянии.^[14][15][16]Другие примеры включают в себя множество систем, взаимодействующих только с жестким ядром.^[17]

Осмотическое давление

Сила истощения - это эффект повышенного осмотического давления в окружающем растворе. Когда коллоиды подходят достаточно близко, то есть когда их исключенные объемы перекрываются, деплетанты вытесняются из области между частицами. Эта область между коллоидами затем становится фаза чистого растворителя. Когда это происходит, концентрация обедняющего агента в окружающем растворе выше, чем в межчастичной области.^[4][7] Результирующий градиент плотности приводит к осмотическое давление то есть анизотропный в природе, действуя на внешние стороны коллоидов и способствуя флокуляции.^[18] Если используется приближение твердых сфер, осмотическое давление равно:

${ displaystyle p_ {0} = rho k _ { mathrm {B}} T}$

куда ${ displaystyle p_ {0}}$ осмотическое давление и ${ displaystyle rho}$ является числовая плотность малых сфер и ${ Displaystyle к _ { mathrm {B}}}$ является Постоянная Больцмана.

Модель Асакуры – Осавы

Силы истощения были впервые описаны Шо Асакурой и Фумио Осава в 1954 году. В их модели сила всегда считается притягивающей. Кроме того, сила считается пропорциональной осмотическое давление. Модель Асакура – ​​Осава предполагает низкую макромолекула плотности и что распределение плотности, ${ displaystyle rho (r)}$, макромолекул постоянна. Асакура и Осава описали четыре случая, в которых могут возникнуть силы истощения. Они впервые описали наиболее общий случай как две твердые пластины в решение макромолекул. Затем принципы первого дела были распространены на три дополнительных случая.^[18]

Две пластины в растворе макромолекул. Макромолекулы исключены между пластинами. Это приводит к чистому растворителю между пластинами и силе, равной осмотическому давлению, действующей на пластины.

Изменение свободной энергии из-за истощающей силы

В модели Асакуры-Осавы для сил истощения изменение свободной энергии, вызванное исключенным косолютом, ${ displaystyle Delta G}$, является:

${ Displaystyle Delta G (r) = Pi Delta V_ {исключение}}$

куда ${ displaystyle Pi}$ осмотическое давление, а ${ displaystyle Delta V_ {исключение}}$ представляет собой изменение исключенного объема (связанного с размером и формой молекулы). Тот же самый результат можно получить, используя Теория решения Кирквуда-Баффа.^[13]

Твердые пластины в растворе макромолекул

В первом случае две твердые пластины помещаются в раствор жестких сферических макромолекул.^[5] Если расстояние между двумя пластинами, ${ displaystyle a}$, меньше диаметра растворенное вещество молекулы ${ displaystyle d}$, тогда растворенное вещество не может попасть между пластинами. Это приводит к чистому растворитель существующие между пластинами. Разница в концентрации макромолекул в растворе между пластинами и основной массой раствора вызывает действие на пластины силы, равной осмотическому давлению. В очень разбавленном и монодисперсном растворе сила определяется соотношением

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

В первом случае сила, действующая на пластины, равна нулю, пока диаметр макромолекул не станет больше расстояния между пластинами. В случае два сила увеличивается с увеличением длины стержней.

куда ${ displaystyle p}$ это сила, а ${ displaystyle N}$ - общее количество молекул растворенного вещества. Сила заставляет энтропию макромолекул увеличиваться и становится привлекательной, когда ${ displaystyle a$^[18]

Палочковидные макромолекулы

Асакура и Осава описали второй случай как состоящий из двух пластин в растворе стержневидных макромолекул. Макромолекулы, подобные стержню, описываются как имеющие длину ${ displaystyle l}$, куда ${ displaystyle l ^ {2} ll A}$, площадь пластин. По мере увеличения длины стержней концентрация стержней между пластинами уменьшается, поскольку стержням становится труднее войти между пластинами из-за стерических препятствий. В результате сила, действующая на пластины, увеличивается с увеличением длины стержней, пока не станет равной осмотическому давлению.^[5] В этом контексте стоит упомянуть, что даже изотропно-нематический переход лиотропные жидкие кристаллы, как впервые объяснено в теории Онзагера,^[19] может сам по себе рассматриваться как частный случай истощающих сил.^[20]

Пластины в растворе полимеров

Третий случай, описанный Асакурой и Осавой, - это две пластины в растворе полимеров. Из-за размера полимеров концентрация полимеров вблизи пластин снижается, что приводит к конформационная энтропия полимеров уменьшается. Случай можно аппроксимировать, моделируя его как диффузию в сосуде, стенки которого поглощают диффундирующие частицы. Сила, ${ displaystyle p}$, затем можно рассчитать по:

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

В этом уравнении ${ displaystyle 1-f}$ притяжение от осмотического эффекта. ${ displaystyle { frac { partial f} { partial a}}}$ это отталкивание из-за цепных молекул, заключенных между пластинами. ${ displaystyle p}$ находится в порядке ${ displaystyle langle r rangle}$, среднее расстояние от конца до конца цепных молекул в свободном пространстве.^[7]

Большие твердые сферы в растворе маленьких твердых сфер

Последний случай, описанный Асакурой и Осавой, описывает две большие твердые сферы диаметром ${ displaystyle D}$, в растворе маленьких твердых сфер диаметром ${ displaystyle d}$. Если расстояние между центрами сфер, ${ displaystyle h}$, меньше чем ${ displaystyle (D + d)}$, то маленькие сферы исключаются из пространства между большими сферами. Это приводит к тому, что область между большими сферами имеет пониженную концентрацию маленьких сфер и, следовательно, пониженную энтропию. Эта уменьшенная энтропия заставляет силу действовать на большие сферы, толкая их вместе.^[7] Этот эффект был убедительно продемонстрирован в экспериментах с виброфлюидизированными гранулированными материалами, где притяжение может быть непосредственно визуализировано.^[21][22]

Усовершенствования модели Асакуры – Осавы

Приближение Дерягина

Теория

Асакура и Осава предположили низкие концентрации макромолекул. Однако при высоких концентрациях макромолекул становятся важными эффекты структурной корреляции в макромолекулярной жидкости. Кроме того, сила отталкивающего взаимодействия сильно увеличивается при больших значениях ${ displaystyle R / r}$ (большой радиус / малый радиус).^[18] Чтобы учесть эти проблемы, Приближение Дерягина, который действителен для любого типа закона силы, был применен к силам истощения. Приближение Дерягина связывает силу между двумя сферами с силой между двумя пластинами. Затем сила интегрируется между небольшими участками на одной поверхности и противоположной поверхностью, которая считается локально плоской.^[7]

Приближение Дерягина связывает силу между двумя сферами с силой между двумя пластинами.

Уравнения

Если есть две сферы радиусов ${ displaystyle R_ {1}}$ и ${ displaystyle R_ {2}}$ на ${ displaystyle Z}$ оси, а сферы ${ displaystyle h + R_ {1} + R_ {2}}$ расстояние друг от друга, где ${ displaystyle h}$ намного меньше, чем ${ displaystyle R_ {1}}$ и ${ displaystyle R_ {2}}$, то сила, ${ displaystyle F}$, в ${ displaystyle z}$ направление

${ Displaystyle F (h) приблизительно 2 pi left ({ frac {R_ {1} R_ {2}} {R_ {1} + R_ {2}}} right) W (h)}$

В этом уравнении ${ displaystyle W (h) = textstyle int _ {h} ^ { infty} f (z) dz}$, и ${ displaystyle f (z)}$ нормальная сила на единицу площади между двумя плоскими поверхностями расстояние ${ displaystyle z}$ Кроме.

Когда приближение Дерягина применяется к силам истощения и 0

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

В этом уравнении ${ displaystyle epsilon}$ - геометрический коэффициент, равный 1, и ${ Displaystyle гамма ( ро, infty) = 2 гамма ( ро)}$, межфазное натяжение на границе раздела стенка-жидкость.^[7]

Теория функций плотности

Теория

Асакура и Осава предположили, что плотность частиц однородна, что верно для гомогенного раствора. Однако если к раствору приложить внешний потенциал, то однородная плотность частиц нарушится, что сделает предположение Асакуры и Осавы неверным. Теория функций плотности учитывает вариации плотности частиц с помощью великий канонический потенциал. Большой канонический потенциал, который является функцией состояния для большой канонический ансамбль, используется для вычисления плотности вероятности для микроскопических состояний в макроскопическом состоянии. Применительно к силам истощения большой канонический потенциал вычисляет локальные плотности частиц в растворе.^[7]

Уравнения

Теория функционала плотности утверждает, что когда любая жидкость подвергается воздействию внешнего потенциала, ${ Displaystyle V (R)}$, то все равновесные величины становятся функциями профиля плотности числа, ${ Displaystyle rho (R)}$. В результате полная свободная энергия сводится к минимуму. Великий канонический потенциал, ${ Displaystyle Omega left ({ big [} rho (R) { big]}; mu, T right)}$, тогда пишется

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

куда ${ displaystyle mu}$ химический потенциал, ${ displaystyle T}$ это температура, а ${ Displaystyle А [ rho]}$ это свободная энергия Гельмгольца.^[23]

Энтальпические силы истощения

Исходная модель Асакуры – Осавы учитывала только жесткие взаимодействия. В такой атермической смеси истощение сил обязательно энтропийно. Если межмолекулярные потенциалы также включают элементы отталкивания и / или притяжения, и если растворитель рассматривается явно, обеднительное взаимодействие может иметь дополнительные термодинамические вклады.

Представление о том, что силы истощения также могут быть вызваны энтальпией, появилось в результате недавних экспериментов по стабилизации белков, индуцированной совместимыми осмолитами, такими как трегалоза, глицерин, и сорбитол. Эти осмолиты предпочтительно исключены с поверхности белков, образуя слой предпочтительной гидратации вокруг белков. Когда белок сворачивается - этот исключенный объем уменьшается, что снижает свободную энергию в свернутом состоянии. Следовательно, исключенные осмолиты сдвигают равновесие складывания в сторону сложенного состояния. Этот эффект обычно считался энтропийной силой в духе исходной модели Асакуры-Осавы и макромолекулярное скопление. Однако термодинамическое нарушение прироста свободной энергии из-за добавления осмолита показало, что эффект фактически вызван энтальпией, тогда как энтропия может быть даже неблагоприятной.^{[9][10][11][13][24]}

Во многих случаях молекулярное происхождение этой вызванной энтальпией истощающей силы можно проследить до эффективного «мягкого» отталкивания в потенциале средней силы между макромолекулой и косольютом. И симуляции Монте-Карло, и простая аналитическая модель демонстрируют, что когда потенциал жесткого ядра (как в модели Асакуры и Осавы) дополняется дополнительным отталкивающим «более мягким» взаимодействием, сила истощения может стать энтальпийно доминируемой.^[12]

Измерения и эксперименты

Силы истощения наблюдались и измерялись с использованием различных приборов, включая атомно-силовая микроскопия, оптический пинцет, и машины для балансировки гидродинамических сил.

Атомно-силовая микроскопия

Атомно-силовая микроскопия (AFM) обычно используется для прямого измерения величины истощающих сил. Этот метод использует отклонение очень маленького кантилевера, контактирующего с образцом, которое измеряется лазером. Сила, необходимая для того, чтобы вызвать определенное отклонение луча, может быть определена по изменению угла наклона лазера. Небольшой масштаб AFM позволяет разброс частицы, которые необходимо измерить напрямую, что дает относительно точное измерение сил истощения.^[25]

Оптический пинцет

Сила, необходимая для разделения двух коллоид частицы можно измерить с помощью оптический пинцет. В этом методе используется сфокусированный лазерный луч для приложения силы притяжения или отталкивания к диэлектрическим микро- и наночастицам. Этот метод используется с разброс частиц путем приложения силы, которая сопротивляется силам истощения. Затем смещение частиц измеряется и используется для определения силы притяжения между частицами.

Гидродинамический баланс сил

Машины HFB измеряют силу взаимодействия частиц, используя поток жидкости для разделения частиц. Этот метод используется для определения силы истощающей силы путем прилипания к статической пластине одной частицы в разброс дуплет частиц и приложение силы сдвига через поток жидкости. В тащить Созданные частицами дисперсии противодействуют истощающей силе между ними, отталкивая свободную частицу от прилипшей частицы. Баланс сил частиц при разделении может использоваться для определения силы истощения между частицами.^[26]

Коллоидная дестабилизация

Механизм

Силы истощения широко используются как метод дестабилизации коллоиды. Путем введения частиц в коллоидный разброс между дисперсными частицами могут возникать притягивающие силы истощения. Эти притягивающие взаимодействия сближают дисперсные частицы, в результате чего флокуляция.^[27][28] Это дестабилизирует коллоид поскольку частицы больше не диспергируются в жидкости, а концентрируются в хлопать образования. Затем хлопья легко удаляются через фильтрация процессы, оставляющие после себя недисперсную чистую жидкость.^[29]

Очистка воды

Использование истощающих сил для инициирования флокуляция это обычный процесс очистки воды. Относительно небольшой размер диспергированных частиц в сточных водах делает обычные методы фильтрации неэффективными. Однако, если рассеяние будет дестабилизировано и флокуляция После этого частицы могут быть отфильтрованы для получения чистой воды. Поэтому коагулянты и флокулянты обычно вводятся в сточные воды, которые создают эти истощающие силы между диспергированными частицами.^[27][29]

Виноделие

Некоторые методы производства вина также используют силы истощения для удаления диспергированных частиц из вина. Нежелательные коллоидные частицы могут быть обнаружены в вине, происходящем из должен или произведенные в процессе виноделия. Эти частицы обычно состоят из углеводы, молекулы пигментации, или белки что может отрицательно сказаться на вкусе и чистоте вина.^[30] Следовательно, флокулянты часто добавляют, чтобы вызвать образование хлопьев осадки для легкого фильтрация.

Общие флокулянты

В таблице ниже перечислены общие флокулянты вместе с их химическими формулами, нетто электрический заряд, молекулярный вес и текущие приложения.

Биологические системы

Есть предположения, что силы истощения могут вносить значительный вклад в некоторые биологические системы, особенно в мембранные взаимодействия между клетки или любая мембранная структура.^[28] С концентрациями больших молекул, таких как белки или же углеводы в внеклеточный матрикс, вероятно, наблюдаются некоторые эффекты истощающей силы между ячейками или пузырьки которые очень близки. Однако из-за сложности большинства биологических систем трудно определить, насколько эти силы истощения влияют на мембранные взаимодействия.^[28] Были разработаны модели взаимодействия пузырьков с силами истощения, но они значительно упрощены, и их применимость к реальным биологическим системам сомнительна.

Обобщение: анизотропные коллоиды и системы без полимеров.

Силы истощения в смесях коллоид-полимер заставляют коллоиды образовывать агрегаты, которые локально плотно упакованы. Эта локальная плотная упаковка наблюдается также в коллоидных системах без полимерных деплетантов. Без полимерных истощителей механизм аналогичен, потому что частицы в плотной коллоидной суспензии эффективно действуют как истощающие вещества друг для друга.^[31] Этот эффект особенно заметен для коллоидных частиц анизотропной формы, где анизотропия формы приводит к возникновению направленных энтропийных сил.^[31][32] которые ответственны за упорядочение жестких анизотропных коллоидов в широкий спектр кристаллических структур.^[33]

Рекомендации