Введение
Смесь нерастворимого вещества, микроскопически диспергированного в другом веществе.
Коллоид – это смесь, в которой одно вещество, состоящее из микроскопически диспергированных нерастворимых частиц, распределено в другом веществе. Некоторые определения уточняют, что частицы должны быть диспергированы в жидкости, в то время как другие распространяют определение на вещества, такие как аэрозоли и гели. Термин "коллоидная суспензия" однозначно относится к общей смеси (хотя более узкое значение слова "суспензия" отличается от коллоидов большим размером частиц). Коллоид состоит из дисперсной фазы (распределенных частиц) и непрерывной фазы (среды дисперсии). Диаметр частиц дисперсной фазы составляет приблизительно от 1 нанометра до 1 микрометра. Некоторые коллоиды являются полупрозрачными из-за эффекта Тиндаля, который представляет собой рассеяние света частицами в коллоиде. Другие коллоиды могут быть непрозрачными или обладать слабым цветом. Коллоидные суспензии являются объектом изучения науки о поверхностях и коллоидах. Эта область исследований началась в 1845 году с работ Франческо Селми, который назвал их псевдорастворами, и получила дальнейшее развитие благодаря исследованиям Майкла Фарадея и Томаса Грэма, которые в 1861 году ввели термин "коллоид".
Гидроколоиды
Гидроколоиды – это определенные химические вещества (преимущественно полисахариды и белки), которые способны к коллоидной дисперсии в воде. Становясь таким образом эффективно "растворимыми", они изменяют реологические свойства воды, повышая вязкость и/или вызывая гелеобразование. Они могут проявлять различные взаимодействия с другими химическими веществами, иногда синергетические, а иногда антагонистические. Благодаря этим свойствам гидроколоиды являются ценными веществами, широко используемыми в различных областях – от пищевой промышленности и фармацевтики до средств личной гигиены и промышленных применений – для стабилизации, дестабилизации и разделения, гелеобразования, контроля течения, контроля кристаллизации и множества других эффектов. Помимо использования растворимых форм, некоторые гидроколоиды сохраняют полезные свойства и в сухом виде, если после растворения из них удаляется вода, например, при создании пленок для освежающих полосок, колбасных оболочек или волокон для повязок, некоторые из которых лучше переносятся кожей, чем другие. Существует множество различных типов гидроколоидов, каждый из которых обладает уникальной структурой, функцией и областью применения, обычно наиболее эффективными в конкретных областях для контроля реологии и физического изменения формы и текстуры. Некоторые гидроколоиды, такие как крахмал и казеин, являются полезными продуктами питания, а также модификаторами реологии, в то время как другие обладают ограниченной питательной ценностью, обычно являясь источником клетчатки. Термин "гидроколоиды" также относится к типу повязок, предназначенных для удержания влаги в коже и ускорения естественного процесса заживления, уменьшая образование рубцов, зуд и болезненные ощущения.
Компоненты
Гидроколлоиды содержат тот или иной гелеобразующий агент, например, карбоксиметилцеллюлозу натрия (NaCMC) и желатин. Обычно они комбинируются с определенным типом герметика, то есть полиуретаном, для обеспечения адгезии к коже.
Коллоид по сравнению с раствором
Коллоид имеет дисперсную фазу и непрерывную фазу, в то время как в растворе растворенное вещество и растворитель образуют только одну фазу. В растворе растворенное вещество представлено отдельными молекулами или ионами, а коллоидные частицы – крупнее. Например, при растворении соли в воде кристалл хлорида натрия (NaCl) распадается на ионы Na+ и Cl−, которые окружены молекулами воды. Однако в коллоиде, таком как молоко, коллоидные частицы – это глобулы жира, а не отдельные молекулы жира. Поскольку коллоид представляет собой многофазную систему, его свойства существенно отличаются от свойств полностью смешанного, однородного раствора.
Стабилизация
Стабильность коллоидной системы определяется способностью частиц оставаться во взвешенном состоянии в растворе и зависит от сил взаимодействия между частицами. К ним относятся электростатические взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса, поскольку они оба вносят вклад в общую свободную энергию системы. Коллоид стабилен, если энергия взаимодействия, обусловленная притягательными силами между коллоидными частицами, меньше kT, где k – постоянная Больцмана, а T – абсолютная температура. В этом случае коллоидные частицы будут отталкиваться или лишь слабо притягиваться друг к другу, и вещество останется в виде суспензии. Если энергия взаимодействия превышает kT, силы притяжения будут преобладать, и коллоидные частицы начнут слипаться. Этот процесс обычно называют агрегацией, но его также называют флокуляцией, коагуляцией или осаждением. Хотя эти термины часто используются как взаимозаменяемые, в некоторых определениях они имеют несколько различные значения. Например, коагуляция может использоваться для описания необратимой, постоянной агрегации, при которой силы, удерживающие частицы вместе, сильнее любых внешних сил, возникающих при перемешивании или смешивании. Флокуляция может использоваться для описания обратимой агрегации, включающей более слабые силы притяжения, а агрегат обычно называют флоком. Термин осаждение обычно используется для описания фазового перехода от коллоидной дисперсии к твердому телу (осадку) при воздействии на нее возмущения. Распространенным методом стабилизации коллоида (преобразования его из осадка) является пептизация – процесс, при котором его встряхивают с электролитом. Стерическая стабилизация заключается в адсорбции слоя полимера или поверхностно-активного вещества на частицах, чтобы предотвратить их сближение в зоне действия притягательных сил. Этот метод используется для стабилизации коллоидных частиц во всех типах растворителей, включая органические растворители. Возможна также комбинация двух механизмов (электростерическая стабилизация). Метод, называемый стабилизацией гелевой сетью, является основным способом получения коллоидов, устойчивых как к агрегации, так и к седиментации. Метод заключается в добавлении в коллоидную суспензию полимера, способного образовывать гелевую сеть. Оседание частиц препятствует жесткость полимерной матрицы, в которой частицы удерживаются, а длинные полимерные цепи могут обеспечивать стерическую или электростерическую стабилизацию диспергированных частиц. Примерами таких веществ являются ксантан и гуаровая камедь.
Стабильность мониторинга
Наиболее широко используемым методом мониторинга дисперсионного состояния продукта, а также для выявления и количественной оценки явлений дестабилизации, является многократное рассеяние света в сочетании с вертикальным сканированием. Этот метод, известный как турбидиметрия, основан на измерении доли света, которая, после прохождения через образец, рассеивается обратно коллоидными частицами. Интенсивность обратного рассеяния прямо пропорциональна среднему размеру частиц и объемной доле дисперсной фазы. Таким образом, обнаруживаются и контролируются локальные изменения концентрации, вызванные седиментацией или всплытием, а также слипанием частиц, вызванным агрегацией. Эти явления связаны с нестабильными коллоидами. Динамическое рассеяние света может использоваться для определения размера коллоидных частиц путем измерения скорости их диффузии. Этот метод заключается в направлении лазерного луча на коллоид. Рассеянный свет формирует интерференционную картину, а колебания интенсивности света в этой картине обусловлены броуновским движением частиц. Если кажущийся размер частиц увеличивается из-за их слипания в результате агрегации, это приводит к замедлению броуновского движения. Эта методика может подтвердить, что произошла агрегация, если определяемый кажущийся размер частиц оказывается за пределами типичного диапазона размеров коллоидных частиц. Разделение различных популяций частиц выявляется при использовании центрифугирования и вибрации.
Как модель системы для атомов
В физике коллоиды представляют собой интересную модельную систему для атомов. Коллоидные частицы микрометрового масштаба достаточно велики, чтобы их можно было наблюдать оптическими методами, такими как конфокальная микроскопия. Многие силы, определяющие структуру и поведение материи, такие как эффекты исключенного объема или электростатические силы, управляют структурой и поведением коллоидных суспензий. Например, те же методы, используемые для моделирования идеальных газов, могут быть применены для моделирования поведения коллоидной суспензии твердых сфер. Фазовые переходы в коллоидных суспензиях можно изучать в реальном времени с помощью оптических методов, и они аналогичны фазовым переходам в жидкостях. Во многих интересных случаях для управления коллоидными суспензиями используется оптическая текучесть.
Кристаллы
Коллоидный кристалл — это высокоупорядоченный массив частиц, который может формироваться на очень больших расстояниях (обычно порядка нескольких миллиметров до одного сантиметра) и является аналогичным своим атомным или молекулярным аналогам. Один из наиболее ярких природных примеров этого явления можно наблюдать в драгоценном опале, где яркие области чистого спектрального цвета возникают из плотно упакованных доменов аморфных коллоидных сфер диоксида кремния (или кремнезема, SiO2). Эти сферические частицы осаждаются в богатых кремнием водоемах в Австралии и других местах, формируя эти высокоупорядоченные массивы после многих лет седиментации и сжатия под гидростатическим и гравитационным давлением. Периодические массивы субмикрометровых сферических частиц создают подобные массивы интерстициальных пустот, которые действуют как естественная дифракционная решетка для волн видимого света, особенно когда интерстициальное расстояние сопоставимо с длиной волны падающего света. Таким образом, давно известно, что благодаря отталкивающим кулоновским взаимодействиям электрически заряженные макромолекулы в водной среде могут проявлять дальнодействующие корреляции, подобные кристаллической структуре, с расстояниями между частицами, часто значительно превышающими диаметр отдельных частиц. Во всех этих природных случаях тот же яркий иридесцентный эффект (или игра цветов) объясняется дифракцией и конструктивной интерференцией волн видимого света, удовлетворяющих закону Брэгга, аналогично рассеянию рентгеновских лучей в кристаллических твердых телах. Значительное количество экспериментов, посвященных изучению физики и химии так называемых "коллоидных кристаллов", появилось благодаря относительно простым методам, разработанным за последние 20 лет для получения синтетических монодисперсных коллоидов (как полимерных, так и минеральных) и реализации, а также поддержания их формирования на больших расстояниях с помощью различных механизмов.
В биологии
Сепарация коллоидной фазы — важный принцип организации, обеспечивающий компартментализацию как цитоплазмы, так и ядра клеток в биомолекулярные конденсаты, что сопоставимо по значимости с компартментализацией посредством липидных бислойных мембран, являющихся типом жидких кристаллов. Термин «биомолекулярный конденсат» используется для описания скоплений макромолекул, образующихся в результате жидкостно-жидкостной или жидкостно-твердотельной сепарации фаз внутри клеток. Высокая концентрация макромолекул значительно усиливает сепарацию коллоидной фазы и формирование биомолекулярных конденсатов.
Внутривенная терапия
Коллоидные растворы, используемые в инфузионной терапии, относятся к основной группе препаратов для увеличения объема циркулирующей крови и могут применяться для восполнения потерь жидкости внутривенно. Коллоиды поддерживают высокое коллоидное осмотическое давление в крови, и поэтому теоретически должны преимущественно увеличивать объем внутрисосудистого пространства, в то время как другие препараты для увеличения объема циркулирующей крови, называемые кристаллоидами, также увеличивают объем интерстициальной жидкости и внутриклеточного пространства. Однако, реальная разница в эффективности, обусловленная этим различием, до сих пор остается предметом дискуссий. Кроме того, кристаллоиды, как правило, значительно дешевле коллоидов.