Deposición de partículas

La deposición de partículas es la adhesión espontánea de partículas a superficies. Las partículas en cuestión son normalmente partículas coloidales , mientras que las superficies involucradas pueden ser planas, curvas o pueden representar partículas mucho más grandes en tamaño que las que se depositan (por ejemplo, granos de arena). Los procesos de deposición pueden ser desencadenados por condiciones de flujo hidrodinámico apropiadas e interacciones favorables entre partículas y superficies. Las partículas que se depositan pueden simplemente formar una monocapa que inhibe aún más la deposición de partículas adicionales, y por lo tanto se habla de bloqueo de la superficie . Las partículas adheridas inicialmente también pueden servir como semillas para una mayor deposición de partículas, lo que conduce a la formación de depósitos de partículas más gruesos, y este proceso se denomina maduración o ensuciamiento de la superficie . Si bien los procesos de deposición normalmente son irreversibles, las partículas depositadas inicialmente también pueden desprenderse. Este último proceso se conoce como liberación de partículas y a menudo se desencadena por la adición de productos químicos apropiados o una modificación en las condiciones de flujo.

Los microorganismos pueden depositarse en superficies de forma similar a las partículas coloidales. Cuando las macromoléculas, como las proteínas , los polímeros o los polielectrolitos , se adhieren a las superficies, este proceso se denomina 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 a partir de líquidos, pero se produce un proceso similar cuando los aerosoles o el polvo se depositan a partir de la fase gaseosa.

Una partícula puede difundirse hacia una superficie en condiciones de reposo, pero este proceso es ineficiente a medida que se desarrolla una gruesa capa 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 adherirá espontáneamente, cuando las interacciones partícula-superficie sean atractivas. En esta situación, se habla de condiciones de deposición favorables . Cuando la interacción es repulsiva a distancias mayores, pero atractiva a distancias más cortas, la deposición seguirá ocurriendo, pero se ralentizará. En este caso, se habla de condiciones de deposición desfavorables . Las etapas iniciales del proceso de deposición se pueden describir con la ecuación de velocidad ^[1].

${\displaystyle {d\Gamma \sobre dt}=kc}$

donde ; es la densidad numérica de partículas depositadas, es el tiempo, la concentración numérica de partículas y el coeficiente de velocidad 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 se puede aproximar mediante una superposición de fuerzas de van der Waals atractivas y fuerzas eléctricas de doble capa repulsivas y se puede describir mediante la teoría DLVO . Cuando la carga de las partículas es del mismo signo que el sustrato, la deposición será favorable a niveles altos de sal, mientras que será desfavorable a niveles de sal más bajos. Cuando la carga de las partículas es del signo opuesto al del sustrato, la deposición es favorable para todos los niveles de sal y se observa una pequeña mejora de la velocidad de deposición con la disminución del nivel de sal debido a las fuerzas electrostáticas atractivas de doble capa. Las etapas iniciales del proceso de deposición son relativamente similares a las primeras etapas de la heteroagregación de partículas , por lo que una de las partículas es mucho más grande que la otra. ${\estilo de visualización \Gamma}$${\estilo de visualización t}$${\estilo de visualización c}$${\estilo de visualización k}$

Cuando las partículas depositadas se repelen entre sí, la deposición se detendrá cuando se hayan depositado suficientes partículas. En un punto, 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 puede describirse mediante la siguiente ecuación ^[2]

${\displaystyle {d\Gamma \sobre dt}=kcB(\Gamma )}$

donde es la función de bloqueo de la superficie. Cuando no hay partículas depositadas, y . Con el aumento de la densidad numérica de partículas depositadas, la función de bloqueo disminuye. La superficie se satura en y . La función de bloqueo más simple es ^[3]${\displaystyle B(\Gamma )}$${\displaystyle \Gamma = 0}$${\displaystyle B(0)=1}$${\displaystyle \Gamma =\Gamma _ {0}}$${\displaystyle B(\Gamma _{0})=0}$

${\displaystyle B(\Gamma )=1-\Gamma /\Gamma _{0}}$

y se denomina 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 daría como resultado 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 uno a la saturación, más lentamente se llena la superficie. Dentro del modelo RSA, la saturación se conoce como atasco. Para los discos circulares, el atasco ocurre en una cobertura de 0,547. Cuando las partículas depositadas son polidispersas, se puede alcanzar una cobertura de superficie mucho mayor, ya que las partículas pequeñas podrán depositarse en los agujeros entre las partículas depositadas más grandes. Por otro lado, las partículas tipo varilla 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 a partir de fuerzas eléctricas de doble capa, la presencia de sal tiene un efecto importante en el bloqueo de la superficie. Para partículas pequeñas y con bajo contenido de 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 para partículas más grandes, este efecto es menos importante y la deposición se puede describir bien mediante el modelo RSA.

Cuando las partículas que se depositan se atraen entre sí, se depositan y se agregan 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 asemejará a la estructura de los agregados formados en las últimas etapas del proceso de agregación.

La deposición de partículas puede seguirse mediante diversas técnicas experimentales. La observación directa de las partículas depositadas es posible con un microscopio óptico , un microscopio electrónico de barrido o el microscopio de fuerza atómica . La microscopía óptica tiene la ventaja de que la deposición de partículas puede seguirse en tiempo real mediante técnicas de vídeo y la secuencia de imágenes puede analizarse cuantitativamente. ^[6] Por otro lado, la resolución de la microscopía óptica requiere que el tamaño de partícula investigado supere al menos los 100 nm.

Una alternativa es utilizar técnicas sensibles a la superficie para seguir la deposición de partículas, como la reflectividad , la elipsometría , la resonancia plasmónica de superficie 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 se llena con partículas grandes o con un medio poroso que se va a investigar. Posteriormente, la columna se lava con el disolvente que se va a investigar y la suspensión de las partículas pequeñas se inyecta 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 velocidad de deposición.

La deposición de partículas se produce en numerosos sistemas naturales e industriales. A continuación se ofrecen algunos ejemplos.

• Recubrimientos y funcionalización de superficies . Las pinturas y los adhesivos suelen ser suspensiones concentradas de partículas coloidales y, para que se adhieran bien a la superficie, las partículas deben depositarse en la superficie en cuestión. Los depósitos de una monocapa de partículas coloidales se pueden utilizar para modelar la superficie a escala μm o nm, un proceso conocido como litografía coloidal . ^[7]
• Filtros y membranas de filtración . Cuando las partículas se depositan en los filtros o membranas de filtración, provocan la obstrucción de los poros y el ensuciamiento de la membrana . ^[8] Al diseñar membranas que funcionen bien, se debe evitar la deposición de partículas y es esencial una funcionalización adecuada de las membranas.
• Deposición de microorganismos . Los microorganismos pueden depositarse de forma similar a las partículas coloidales. Esta deposición es un fenómeno deseado en aguas subterráneas, ya que el acuífero filtra los microorganismos eventualmente inyectados durante la recarga de los acuíferos. ^[9] Por otro lado, dicha deposición es altamente indeseable en la superficie de los dientes humanos, ya que representa el origen de las placas dentales . La deposición de microorganismos también es relevante en la formación de biopelículas .