¿Qué es el potencial zeta?
Figura 1: Los procesos químicos húmedos se utilizan durante la producción de obleas. Medir el potencial zeta ayuda a prevenir la deposición de impurezas durante dichos procesos.
El potencial zeta es el potencial eléctrico cerca de una superficie sólida en solución acuosa. El potencial zeta influye en la estabilidad de las suspensiones coloidales y da una indicación de la adhesión entre sólidos. El potencial zeta es de gran importancia en la tecnología alimentaria, el desarrollo de biomateriales, materiales de filtración, la industria textil y la preparación de obleas de silicio.
¿Por qué es interesante el potencial zeta?
El potencial zeta ζ es un parámetro para analizar la carga superficial. Más precisamente, el potencial zeta caracteriza las propiedades electroquímicas cerca de una superficie sólida en una solución acuosa. Estas propiedades electroquímicas son causadas por grupos funcionales en la superficie. La carga superficial determina si y cómo la superficie interactúa con otros materiales.
Si se conoce el potencial zeta, es posible estimar si ocurren fuerzas atractivas o repulsivas entre dos superficies. En términos prácticos, el potencial zeta puede ayudar a responder preguntas como: ¿Se adherirán las proteínas a la membrana?
o ¿Qué tan rápido cambian las propiedades superficiales cuando se añade un tensioactivo?
.
El potencial zeta no es idéntico a la carga superficial. La carga superficial describe la carga directamente en la superficie. La carga superficial no puede medirse experimentalmente. El potencial zeta, en cambio, describe la situación de carga en el llamado plano de cizalladura
, cerca de la superficie sólida. A diferencia de la carga superficial, el potencial zeta puede determinarse experimentalmente y es más relevante en la práctica.
¿Qué genera las cargas superficiales?
Cuando una superficie entra en contacto con una solución acuosa, generalmente pierde su neutralidad eléctrica. La carga superficial puede ser causada por varios procesos químicos, como la adsorción de iones así como la protonación y desprotonación de grupos funcionales. Con el tiempo, se establece un equilibrio dependiente del pH. Algunos ejemplos de esto son:
- Desprotonación, es decir, liberación de un ion hidrógeno, de un grupo carboxilo (COOH) en la superficie sólida
[superficie]-COOH + H2O ⇌ [superficie]-COO- + H3O+(ac) - Desprotonación de un grupo hidroxilo (OH)
[superficie]-OH + H2O ⇌ [superficie]-O- + H3O+(ac) - Desprotonación de un grupo tiol (SH)
[superficie]-SH + H2O ⇌ [superficie]-S- + H3O+(ac) - Protonación, es decir, absorción de un ion hidrógeno, de un grupo amino (NH2)
[superficie]-NH2 + H2O ⇌ [superficie]-NH3+ + OH-(ac)
El signo y la magnitud de la carga superficial permiten sacar conclusiones sobre el tipo y número de grupos funcionales presentes en la superficie. Estos determinan en gran medida la interacción de la superficie con otras sustancias circundantes.
La doble capa electroquímica en la superficie
La carga superficial genera un campo eléctrico cerca de la superficie sólida. La carga atrae iones del líquido, que tienen la carga opuesta en comparación con la superficie sólida. Esto provoca la formación de una doble capa electroquímica frente a la superficie. Existen varios modelos para describir la estructura de la doble capa electroquímica. Aquí se discutirá el modelo de Gouy-Chapman-Stern-Grahame (modelo GCSG).
Según el modelo GCSG (ver Figura 2), la doble capa electroquímica consiste en una capa inmóvil, es decir, inamovible, directamente en la superficie sólida, así como una capa difusa, es decir, móvil. La capa inmóvil está formada por la subcapa interna de Helmholtz y la subcapa externa de Helmholtz. La subcapa interna de Helmholtz (IHP) contiene iones adsorbidos, que están fuertemente ligados a la superficie a corta distancia. Estos iones están parcialmente deshidratados. A la subcapa interna de Helmholtz le sigue la capa externa de Helmholtz (OHP), que consiste en iones de carga opuesta que están adsorbidos de forma no específica y están completamente hidratados.
A la capa inmóvil con las subcapas interna y externa de Helmholtz le sigue la capa difusa con iones móviles e hidratados con cargas tanto positivas como negativas. El número de iones está influenciado por la carga superficial y disminuye con la distancia a la superficie sólida.
El potencial zeta en el plano de cizalladura
El potencial eléctrico de la doble capa también puede subdividirse (ver línea verde en Figura 2). A lo largo de la capa inmóvil, se supone que el valor del potencial disminuye linealmente. En la capa difusa, el potencial eléctrico se define por una distribución de Boltzmann.
El potencial en la capa inmóvil es experimentalmente inaccesible y generalmente no es relevante para aplicaciones prácticas. El potencial en la transición entre la capa inmóvil y la capa difusa, en cambio, puede medirse y es relevante en aplicaciones prácticas. Al mover el líquido en relación con la superficie, los iones en la capa difusa pueden desplazarse o cizallarse
. El potencial eléctrico en este plano de cizalladura se denomina potencial zeta.
Ejemplos de aplicación para mediciones de potencial zeta
El potencial zeta influye en la estabilidad de las suspensiones coloidales y proporciona indicaciones sobre la adhesión entre sólidos. El potencial zeta también puede utilizarse para observar la adsorción y las reacciones químicas entre sólidos e iones en soluciones acuosas.
Con el análisis del potencial zeta se pueden derivar parámetros adicionales como el punto isoeléctrico y la cinética de adsorción del sólido. Esto permite responder a preguntas relacionadas con la aplicación en una amplia gama de campos.
- En tecnología alimentaria, uno de los enfoques es la filtración, en la que se utilizan membranas para el fraccionamiento selectivo. El potencial zeta puede caracterizar estas membranas en detalle.
- Otro enfoque en el desarrollo de membranas de filtración es la filtración de virus, donde la modificación de la carga superficial de los medios filtrantes juega un papel decisivo.
- Al desarrollar superficies antimicrobianas, la medición del potencial zeta puede proporcionar información importante.
- En el campo de la tecnología médica, la medición del potencial zeta puede ayudar a caracterizar la deposición de proteínas (
biopelículas
) en implantes. - Las lentes de contacto también son objeto de investigación basada en biomateriales. El objetivo aquí es reducir las biopelículas y la adhesión bacteriana en la superficie de las lentes.
- El desafío del llamado
ensuciamiento de membranas
, en el que las impurezas cubren la superficie de la membrana, también se está abordando. Medir el potencial zeta permite reconocer mejor el ensuciamiento. - Al producir obleas de silicio, se utilizan procesos químicos húmedos como el grabado. Midiendo el potencial zeta, estos procesos pueden modificarse añadiendo tensioactivos para evitar la deposición de impurezas.
