X. COLOIDES, GELATINAS Y ESAS COSAS
EN LOS casos vistos hasta este momento hemos considerado que dentro del fluido solamente hay una partícula browniana. Sin embargo, se presentan con mucha frecuencia situaciones en que dentro de un fluido no hay una sino muchas partículas brownianas (Figura 24). Es decir, se tiene una suspensión de partículas dentro de un fluido. A este tipo de sistemas se les llama coloides. Los materiales coloidales son de gran importancia en diversos aspectos de la vida cotidiana e industrial. Ejemplos de sustancias coloidales son la pasta dentífrica, quesos, ciertas pinturas, gelatinas, plásticos, niebla, humo y esmog.
Una aplicación interesante de las ideas del movimiento browniano se da en el caso de las suspensiones coloidales. Éstas se forman por la dispersión en un fluido de partículas de tamaños del orden de micras, es decir, tamaños mucho mayores que las dimensiones atómicas o moleculares.
Dependiendo del tipo de partículas brownianas y los átomos o moléculas del fluido, se clasifican los coloides de diferentes maneras. Así, se tienen entre otros, aerosoles, geles, espumas y emulsiones. Describiremos algunas características de estos sistemas. En todos los casos, las partículas grandes realizan movimiento browniano tal como se ha descrito anteriormente.
Aerosoles. Éstos son suspensiones en gases (Figura 25). Si las partículas suspendidas son sólidas, entonces el aerosol se identifica con humo o polvo. La diferencia entre estas sustancias es solamente cuestión del tamaño de las partículas: las del humo son mucho más pequeñas que las del polvo. Si, por otro lado, las partículas suspendidas son líquidas, el aerosol se identifica con niebla.
Entre los aerosoles se cuenta el llamado esmog (vocablo formado por letras de las palabras en inglés que denotan humo y niebla) en el que partículas tanto líquidas como sólidas se encuentran suspendidas en el aire.
Otras suspensiones de este tipo son cúmulos de bacterias, virus, mohos en el aire, todas de mucha importancia sanitaria.
Geles. En este tipo de coloides, partículas tanto líquidas como sólidas están suspendidas en un líquido (Figura 26).
En muchas ocasiones, debido a que las partículas brownianas están cargadas eléctricamente, hay interacción entre ellas. Esto da lugar a que formen una "cuasi-red" cristalina, es decir, formen una estructura regular, lo que les da una consistencia que no es la rígida de un cristal, pero tampoco la de fluido que corresponde al líquido.
Como ejemplos de geles se pueden mencionar las gelatinas, algunos jabones, ciertas arcillas, determinadas pastas como masillas, masas, barro, etcétera. Las gelatinas se emplean en la fotografía, ciertos cosméticos, en alimentos, etcétera.
Espumas. Una espuma es una suspensión de partículas gaseosas en un líquido (Figura 27). En general, los líquidos puros no permiten la formación de espumas estables. Por ejemplo, si se agita agua pura no se obtiene espuma. Para ello es necesario el concurso de una tercera sustancia, el agente espumoso. Así, al añadir un jabón o un detergente al agua, después de agitar se logrará una espuma bastante estable. Otros agentes espumosos son ciertas proteínas, saponinas, etcétera.
Ejemplos de espumas son algunos alimentos como la crema batida y el merengue (clara de huevo batida); otro tipo de espumas son las usadas para combatir incendios que consisten de burbujas de dióxido de carbono. Otras sustancias que se obtienen de espumas son los materiales esponjosos. Estos se logran al solidificar el líquido que forma la espuma. Como ejemplos mencionamos algunos materiales plásticos aislantes.
Emulsiones. Este sistema es un coloide en el que tanto el fluido como las partículas son ambos líquidos que no se mezclan, es decir, inmiscibles. Como ejemplo de emulsión podemos mencionar gotitas de aceite en agua (Figura 28). La agitación mecánica de una mezcla de agua con gotas de aceite forma una emulsión que no es estable. Después de cierto tiempo estas sustancias se separan, con el aceite sobrenadando en el agua. Para lograr una emulsión estable se necesita añadir un emulsionante.
Las aplicaciones de las emulsiones son muy vastas. Se les encuentra con muchísima frecuencia en artículos farmacéuticos, alimenticios o en cosméticos. Por ejemplo, ciertas cremas y ungñentos son emulsiones. También lo son las mayonesas y las margarinas Ésta última es una emulsión de partículas de agua dentro de aceite, estabilizada con aceite de soya al 1%.
El tratamiento fenomenológico de coloides consiste en suponer que hay cierto número de partículas coloidales inmersas en fluido y que, dado su tamaño, cada una de ellas realiza movimiento browniano bajo la acción de las siguientes fuerzas:
1) Una fuerza de fricción que se opone al movimiento de cada una de las partículas.
2) Una fuerza estocástica de la misma naturaleza que las analizadas en el capítulo VI.
3) Además, se añade una fuerza que ejercen cada una de las partículas coloidales. La naturaleza de esta fuerza depende de las características de las partículas suspendidas.
Como ejemplo, mencionaremos coloides con carga eléctrica neta. Este tipo de situación es muy común, por ejemplo en suspensiones acuosas como las gelatinas. En este último se han resuelto las ecuaciones resultantes obteniéndose los siguientes resultados:
Se encuentra la existencia de una estructura coloidal ordenada en el espacio (Figura 29). Resulta que las posiciones de cada una de las partículas brownianas queda ahora localizada en la vecindad de un punto. Es decir, se puede mover solamente alrededor de ciertos puntos que están fijos. Las características de la estructura que así se forma dependen de la concentración de las partículas brownianas. Resulta, sin embargo, que existe un fuerte ordenamiento aun para pequeños valores de concentración.
Figura 29. En una gelatina, las partículas brownianas forman una estructura ordenada, cuasi-cristalina, que se encuentra dentro del líquido.
También se han llevado a cabo tratamientos microscópicos de algunas suspensiones coloidales, a un nivel análogo a los descritos en el capítulo VIII. Se han estudiado fluidos (T. J. Murphy y J. L. Aguirre, 1972) y el caso de modelos de osciladores armónicos (E. Braun, 1980). Así se han justificado las suposiciones hechas en los tratamientos macroscópicos.
