Qu'est-ce que le potentiel zêta ?
Figure 1 : Les processus chimiques humides sont utilisés lors de la production de wafers. Mesurer le potentiel zêta aide à prévenir le dépôt d'impuretés pendant de tels processus.
Le potentiel zêta est le potentiel électrique près d'une surface solide en solution aqueuse. Le potentiel zêta influence la stabilité des suspensions colloïdales et donne une indication de l'adhérence entre solides. Le potentiel zêta est d'une grande importance dans la technologie alimentaire, le développement de biomatériaux, les matériaux de filtration, l'industrie textile et la préparation des wafers en silicium.
Pourquoi le potentiel zêta est-il intéressant ?
Le potentiel zêta ζ est un paramètre pour analyser la charge de surface. Plus précisément, le potentiel zêta caractérise les propriétés électrochimiques près de la surface d'un solide en solution aqueuse. Ces propriétés électrochimiques sont causées par des groupes fonctionnels à la surface. La charge de surface détermine si et comment la surface interagit avec d'autres matériaux.
Si le potentiel zêta est connu, il est possible d'estimer si des forces attractives ou répulsives se produisent entre deux surfaces. En termes pratiques, le potentiel zêta peut donc aider à répondre à des questions telles que : Les protéines vont-elles se fixer à la membrane ?
ou À quelle vitesse les propriétés de surface changent-elles lorsqu'un tensioactif est ajouté ?
.
Le potentiel zêta n'est pas identique à la charge de surface. La charge de surface décrit la charge directement sur la surface. La charge de surface ne peut pas être mesurée expérimentalement. Le potentiel zêta, quant à lui, décrit la situation de charge au niveau de ce que l'on appelle le plan de cisaillement
, près de la surface solide. Contrairement à la charge de surface, le potentiel zêta peut être déterminé expérimentalement et est plus pertinent en pratique.
Qu'est-ce qui génère les charges de surface ?
Lorsqu’une surface rencontre une solution aqueuse, elle perd généralement sa neutralité électrique. La charge de surface peut être causée par divers processus chimiques, tels que l'adsorption d'ions ainsi que la protonation et la déprotonation des groupes fonctionnels. Avec le temps, un équilibre dépendant du pH s'établit. Voici quelques exemples :
- Déprotonation, c'est-à-dire la libération d'un ion hydrogène, d'un groupe carboxyle (COOH) à la surface solide
[surface]-COOH + H2O ⇌ [surface]-COO- + H3O+(aq) - Déprotonation d'un groupe hydroxyle (OH)
[surface]-OH + H2O ⇌ [surface]-O- + H3O+(aq) - Déprotonation d'un groupe thiol (SH)
[surface]-SH + H2O ⇌ [surface]-S- + H3O+(aq) - Protonation, c'est-à-dire absorption d'un ion hydrogène, d'un groupe amino (NH2)
[surface]-NH2 + H2O ⇌ [surface]-NH3+ + OH-(aq)
Le signe et l'amplitude de la charge de surface permettent de tirer des conclusions sur le type et le nombre de groupes fonctionnels présents sur la surface. Ceux-ci déterminent en grande partie l'interaction de la surface avec d'autres substances environnantes.
La double couche électrochimique à la surface
La charge de surface génère un champ électrique près de la surface solide. La charge attire les ions du liquide, qui portent une charge opposée par rapport à la surface solide. Cela entraîne la formation d'une double couche électrochimique devant la surface. Divers modèles existent pour décrire la structure de la double couche électrochimique. Le modèle de Gouy-Chapman-Stern-Grahame (modèle GCSG) sera discuté ici.
Selon le modèle GCSG (voir Figure 2), la double couche électrochimique se compose d'une couche immobile, c'est-à-dire non mobile, directement à la surface solide ainsi que d'une couche diffuse, c'est-à-dire mobile. La couche immobile est constituée de la sous-couche interne de Helmholtz et de la sous-couche externe de Helmholtz. La sous-couche interne de Helmholtz (IHP) contient des ions adsorbés, qui sont fortement liés à la surface sur une courte distance. Ces ions sont partiellement déshydratés. La sous-couche interne de Helmholtz est suivie par la sous-couche externe de Helmholtz (OHP), qui est composée d'ions de charge opposée qui sont non spécifiquement adsorbés et sont complètement hydratés.
La couche immobile constituée des sous-couches interne et externe de Helmholtz est suivie par la couche diffuse avec des ions mobiles et hydratés portant à la fois des charges positives et négatives. Le nombre d'ions est influencé par la charge de surface et diminue avec la distance par rapport à la surface solide.
Le potentiel zêta au niveau du plan de cisaillement
Le potentiel électrique de la double couche peut également être subdivisé (voir la ligne verte dans Figure 2). Le long de la couche immobile, il est supposé que la valeur du potentiel diminue de manière linéaire. Dans la couche diffuse, le potentiel électrique est défini par une distribution de Boltzmann.
Le potentiel dans la couche immobile est inaccessible expérimentalement et généralement non pertinent pour les applications pratiques. En revanche, le potentiel au niveau de la transition entre la couche immobile et la couche diffuse peut être mesuré et est pertinent dans les applications pratiques. En déplaçant le liquide par rapport à la surface, les ions dans la couche diffuse peuvent être déplacés ou cisaillés
. Le potentiel électrique à ce plan de cisaillement est appelé potentiel zêta.
Exemples d'application des mesures de potentiel zêta
Le potentiel zêta influence la stabilité des suspensions colloïdales et fournit des indications sur l'adhérence entre solides. Le potentiel zêta peut également être utilisé pour observer l'adsorption et les réactions chimiques entre les solides et les ions en solution aqueuse.
Des paramètres supplémentaires tels que le point isoélectrique et la cinétique d'adsorption du solide peuvent être dérivés avec l'analyse du potentiel zêta. Cela signifie que des questions liées aux applications dans de nombreux domaines peuvent être résolues.
- Dans la technologie alimentaire, l'un des axes est la filtration, où des membranes sont utilisées pour le fractionnement sélectif. Le potentiel zêta caractérise ces membranes en détail.
- Un autre axe dans le développement des membranes de filtration concerne la filtration des virus, où la modification de la charge de surface des médias filtrants joue un rôle décisif.
- Lors du développement de surfaces antimicrobiennes, la mesure du potentiel zêta peut fournir des informations importantes.
- Dans le domaine des technologies médicales, la mesure du potentiel zêta peut aider à caractériser le dépôt de protéines (
biofilms
) sur les implants. - Les lentilles de contact sont également sujettes à la recherche basée sur les biomatériaux. L'accent est mis sur la réduction des biofilms et de l'adhésion bactérienne à la surface des lentilles.
- Le défi de l’encrassement membranaire, dans lequel des impuretés recouvrent la surface de la membrane, est également abordé. La mesure du potentiel zêta permet de mieux reconnaître le fouling.
- Lors de la production de wafers en silicium, des procédés chimiques humides comme la gravure sont utilisés. En mesurant le potentiel zêta, ces procédés peuvent être modifiés en ajoutant des tensioactifs pour empêcher le dépôt d'impuretés.
