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Tecniche

Dispersioni Colloidali e Nanoparticelle

Le dispersioni colloidali sono miscele di 2 fasi, una fase costituita da una sostanza di dimensioni nanometriche (diametro compreso tra 1 nm e 1 µm) e una fase continua disperdente.

Esistono numerose tipologie di dispersioni colloidali, dove le fasi disperdente e dispersa possono essere solide, un liquide o un gassose. Qui ci interessiamo alle dispersioni colloidali liquide che possiamo classificare in 3 categorie:

  • emulsioni: liquido disperso in liquido
  • sospensioni: solido disperso in liquido
  • schiume: gas disperso in un liquido

Possiamo citare come esempio comune di dispersione collloidale liquida: il burro, il latte, la maionese, la schiuma da barba, il dentifricio, etc.

La preparazione dei colloidi può essere effettuata in 2 modi:

  • metodi bottom up: si parte dai singoli atomi o molecole, opportunamente assemblati, mediante reazioni chimiche, permettendo al precursore di accrescere con le dimensioni e le caratteristiche desiderate.
  • metodi top down: riduzione della dimensione di particelle o goccioline di grandi dimensioni in dimensioni più piccole con agitazione, miscelazione o applicazione di alti shear, ad esempio con la tecnologia Microfluidics che sviluppa le forze di taglio più elevate del mercato.

Quando un raggio di luce attraversa una dispersione colloidale, contrariamente ad una soluzione, le particelle presenti hanno una dimensione in grado di diffondere la luce (effetto Tyndall). Grazie a questa proprietà, la misura della dimensione dei colloidi e nanoparticelle disperse in fase liquida può essere effettuata accuratamente con la tecnica Dynamic Light Scattering.

Seppur costituita da 2 fasi, per definizione una dispersione colloidale è stabile (oppure impiega un tempo relativamente molto lungo per destabilizzarsi). La stabilità dei sistemi colloidali è determinata dalla somma tra forze repulsive (elettrostatiche) e forze attrattive (Van der Waals) che si stabiliscono tra i colloidi, forze entropiche, tensione superficiale, etc. La stabilità è quindi una delle proprietà principale da misurare per caratterizzare una dispersione colloidale o di nanoparticelle. La Multiple Light Scattering con la scansione verticale del campione è la tecnica più utilizzata per monitorare lo stato di dispersione di un prodotto, identificando e quantificando i fenomeni di destabilizzazione fino a 50 volte più rapidamente che ad occhio, su dispersioni concentrate senza diluizione. Per le dispersioni colloidali stabilizzate elettrostaticamente, la misura del potenziale zeta consente di predirne la stabilità in un'unica misura estremamente rapida.

La posizione e l'orientazione reciproca delle singole particelle presenti nella dispersione colloidale ha un'influenza sulla reologia della dispersione, fenomeni di destabilizzazione oppure aggregazione ne cambiano le proprietà visco-elastiche, proprietà di scorrimento o la viscosità. Ottimizzare la reologia di tali sistemi, controllando proprietà quali lo zero shear, lo yield stress, la tissotropia o ancora la resistenza al creep, etc. con un reometro come il Kinexus o il Fluidicam Rheo, consente di meglio capire e gestire la stabilità delle dispersioni colloidali.

Nanoparticelle e colloidi in dispersione sono spesso utilizzati o coinvolti in sistemi più complessi, ad esempio in matrici biologiche, o in presenza di vari additivi che conferiscono alla dispersione le proprietà attese. L'analisi di tali sistemi complessi può richiedere la separazione dei colloidi o nanoparticelle dal mezzo complesso, e questo può facilmente essere effettuato grazie alla tecnica FFF, una tecnica di separazione senza fase stazionaria che consente inoltre la caratterizzazione delle particelle con avanzati detectors (UV, MALS, DLS, ICP-MS, RI, Fluorescenza etc.) o di separarle e raccoglierle in diverse vials per ulteriori studi.