زتامتر و کاربردهای آن

زتامتر (zettametre) با نماد Zm برابر است با ۱۰^۲۱ متر یا ۱۱۰٬۰۰۰ سال نوری.

1- مقدمه

پتانسیل زتا برای درک و کنترل خواص سوسپانسیون‌های کلوئیدی بسیار حائز اهمیت است. عموماً می‌توان خصوصیات یک سوسپانسیون را با درک چگونگی برهم‌کنش کلوئیدها با یکدیگر شناسایی کرد. در برخی موارد لازم است برای جدا نگه داشتن ذرات از یکدیگر و ممانعت از تجمع آن‌ها، دافعه بین ذرات به حداکثر مقدار ممکن برسد، گاهی نیز هدفی کاملاً متفاوت دنبال می‌شود و با حذف یا کاهش نیروهای دافعه، تشکیل توده‌های بزرگ، تسریع شده و عمل صاف شدن آسان‌تر می‌شود (شکل‌های 1 و 2). لازم به ذکر است با ایجاد تغییر در تعادل بین نیروهای دافعه و جاذبه بین ذرات، می‌توان ویسکوزیته محلول را تغییر داده و آن را تعدیل کرد.

به دلیل اندازه بسیار کوچک کلوئید، نیروهای سطحی در مرز بین ذره و مایع بسیار مهم هستند. یکی از مهم‌ترین اثرات سطحی، الکتروسینتیک است ذرات کلوئید بار الکتریکی یکسانی داشته لذا نیروی دافعه الکتروستاتیک بین دو ذره مجاور ایجاد می‌شود. اگر بار به اندازه کافی بزرگ باشد، کلوئیدها به صورت جدا از هم و پراکنده در سوسپانسیون باقی می‌مانند. کاهش یا حذف این بارها اثر معکوس دارد. بنابراین ذرات کلوئیدی به راحتی تجمع کرده و از سوسپانسیون خارج می‌شوند. این تجمع باعث تغییر در خواص سوسپانسیون نیز می‌شود. بار الکتریکی ذرات با ایجاد تغییر در مایع سوسپانسیون قابل کنترل است. این تغییر و تعدیل شامل کاهش یا افزایش pH، تغییر در گونه‌های یونی درون محلول و استفاده از یک گونه فعال سطحی که به طور مستقیم به ذرات کلوئیدی اتصال یافته و خواص آن‌ها را دستخوش تغییر می‌کند، است.

2- لایه مضاعف (Double layer)

جدایش بار در فصل مشترک بین دو فاز، لایه مضاعف الکتریکی نامیده می‌شود. این دو فاز در حالت ایده‌آل، دو منطقه با بارهای مخالف هستند. برای به تصویر در آوردن محیط یونی در نزدیکی یک کلوئید باردار و توضیح چگونگی عمل نیروهای دافعه الکتریکی، از مدل لایه مضاعف استفاده می‌شود. می‌توان این مدل را به صورت لایه‌های متوالی از یون‌ها در اطراف یک کلوئید با بار منفی تصور کرد. ابتدا تأثیر کلوئید بر روی یون‌های مثبت (یون‌های با بار مخالف یا Counter-ion) مورد توجه قرار می‌گیرد. در این حالت، نیروی جاذبه از طرف کلوئید با بار منفی، باعث جذب یون‌های مثبت و تشکیل یک لایه در اطراف سطح کلوئید می‌شود. این لایه با بار مخالف، لایه استرن نامیده می‌شود. سپس یون‌های مثبت اضافی باز هم به وسیله کلوئید جذب شده ولی به وسیله لایه استرن (Stern layer) و سایر یون‌های مثبت که سعی در نزدیک‌شدن به کلوئید را دارند، دفع می‌شوند. این تعادل دینامیکی منجر به تشکیل لایه نفوذی (Diffused layer) یون‌های با بار مخالف می‌شود (شکل 3).

غلظت بالای یون‌های موجود در نزدیکی سطح به تدریج و با دور شدن از سطح کلوئید، کاهش یافته و این عمل تا ایجاد تعادل با یون‌های با بار مخالف در محلول ادامه می‌یابد. به طور مشابه و به دلیل نیروی دافعه کلوئید منفی، کاهش غلظت یون‌های منفی نیز در نزدیکی سطح ایجاد شده و غلظت این یون‌ها با افزایش فاصله زیاد می‌شود.
لایه نفوذ به عنوان یک محیط باردار در اطراف ذره مجسم می‌شود. چگالی بار در هر نقطه از سطح برابر با اختلاف بین غلظت یون‌های مثبت و منفی در آن نقطه است.
چگالی بار در نزدیکی کلوئید دارای بیشترین مقدار بوده و با افزایش فاصله به صورت تدریجی حذف می‌شود که در این منطقه غلظت یون‌های مثبت و منفی تقریباً با هم برابر می‌شود. لایه استرن مربوط به یون‌های با بار مخالف و اتمسفر باردار در لایه نفوذ به نام لایه مضاعف نامیده می‌شوند. ضخامت این لایه به نوع و غلظت یون‌های محلول بستگی دارد.

3- پتانسیل زتا

اکثر مایعات، حاوی کاتیون‌ها و آنیون‌ها یعنی اتم‌های با بار‌های مثبت و منفی هستند. موقعی که ذرات باردار در یک مایع معلق شوند، یون‌های با بار مخالف به سمت ذرات معلق جذب می‌شوند. یعنی نمونه با بار منفی، یون‌های مثبت را از مایع به سمت خود جذب کرده و برعکس نمونه با بار مثبت، یون‌های منفی را از مایع به سمت خود جذب می‌کند. یون‌های نزدیک سطح ذره، شدیداً جذب شده در حالی که یون‌های دورتر، پیوند سستی خواهند داشت که لایه نفوذ نامیده می‌شود (شکل 4).

درون لایه نفوذ، مرزی وجود دارد که یون‌های درون این مرز با حرکت ذره در مایع، حرکت خواهند کرد و اما یون‌های بیرون مرز، ساکن باقی می‌مانند. این مرز صفحه لغزش (Slipping plane) نامیده می‌شود. از طرفی، پتانسیلی که بین سطح ذره و مایع وجود دارد، با فاصله از سطح ذره تغییر می‌کند. این پتانسیل در صفحه لغزش، پتانسیل زتا نامیده می‌شود.
لایه مضاعف، جهت خنثی کردن بار کلوئید باردار تشکیل می‌شود. در عوض، باعث ایجاد یک پتانسیل الکتروسینتیکی بین سطح کلوئید و هر نقطه از توده مایع می‌شود. این اختلاف ولتاژ در حد چند میلی‎ولت بوده و به عنوان پتانسیل سطح شناخته می‌شود. پتانسیل ψ به عنوان پتانسیل سطحی نیز نامیده می‌شود؛ بزرگی پتانسیل سطح، وابسته به بار سطح و ضخامت لایه مضاعف است.

1-3- پتانسیل زتا و پایداری کلوئیدی

پایداری سل‌های کلوئیدی، بر طبق تئوری DLVO و براساس تعادل بین نیروهای جاذبه و دافعه تعیین می‌شود. این تئوری یک توضیح کلاسیک برای بیان پایداری کلوئید در یک سوسپانسیون است. به نظر می‌رسد که تعادل میان نیرو‌های متضاد دافعه الکتروستاتیک و جاذبه به منظور توضیح وقوع یا عدم وقوع اگلومریزاسیون سیستم‌های کلوئیدی استفاده می‌شود. دافعه الکتروستاتیک (Urepulsion) وقتی ایجاد می‌شود که لایه‌های مضاعف دو ذره کلوئید با هم برهم‌کنش داشته باشند. برای غلبه بر این نیرو، انرژی لازم است دافعه الکتروستاتیک نشان‎دهنده انرژی لازم جهت غلبه بر نیروی ما بین دو ذره است. این نیرو زمانی ماکزیمم است که لایه‌های مضاعف همدیگر را لمس می‌کنند. در خارج از لایه مضاعف این نیرو به صفر می‌رسد.
نیروی جاذبه و اندروالس (Uattrractive) حاصل نیروی بین مولکول‌های منفرد (Individual) در هر کلوئید است، هر مولکول کلوئیدِ اول با تک تک مولکول‌های کلوئیدِ دوم؛ جاذبه واندروالس شامل این نیروها است و نیروی کل مجموعه‌ای از همه این نیروها است. تئوری DLVO، تمایل ذرات به اگلومریزاسیون یا باقی ماندن به صورت ذرات مجزا را به وسیله برآیند منحنی‌های جاذبه واندروالس و دافعه الکتروستاتیک نشان می‌دهد که حاصل آن منحنی انرژی برهم‌کنش کل (U_total) است (شکل 5).

U_total= U_Repulsion +  U_attrractive

در هر فاصله، مقادیر کوچک‌تر از مقادیر بزرگ‌تر کم می‌شود تا انرژی کل به دست آمده و نمودار آن رسم می‌شود. اگر منحنی دارای بخش دافعه باشد، نقطه ماکزیمم انرژی دافعه، سد انرژی نامیده می‌شود که ارتفاع این سد نشان‎دهنده میزان پایداری سیستم است. بنابراین برای اگلومریزاسیون باید انرژی سینتیکی کافی (از نظر جرم و سرعت) برای غلبه بر این سد وجود داشته باشد. اگر این سد برداشته شود، برهم‌کنش کل، جاذبه است و در نتیجه ذرات اگلومره می‌شوند که از این منطقه به عنوان دام (Trapp) انرژی یاد می‌شود. اما به هر حال، به جز نیروهای دافعه و جاذبه ذکر شده، اثرات دیگری نیز وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند. برای مثال اثر ممانعت فضایی (Steric hindrance) از این دسته است.
این اثر معمولاً به وسیله جذب مواد پلیمری بر روی سطح کلوئید ایجاد می‌شود. می‌توان تصور کرد که لایه جذب شده در اطراف هر ذره، مانند سدی از نزدیک شدن ذرات به یکدیگر و انجام عمل انعقاد جلوگیری می‌کند، برخلاف پایداری الکتروستاتیک، در این مورد نیروی دافعه با محدوده طولانی وجود نداشته و هنگام تماس مولکول‌ها با یکدیگر، ذرات در معرض نیروهای جاذبه قرار می‌گیرند. به عبارت دیگر، برخی از پلیمرهای بلندزنجیر، چندین ذره را هم‌زمان روی سطح خود جذب کرده و باعث اتصال آن‌ها به یکدیگر می‌شود. در حالی که در حالت عادی، نیروی دافعه الکتروستاتیک باعث دفع آن‌ها به وسیله یکدیگر می‌شود. در عمل ترکیبی از دافعه الکتروستاتیک و ممانعت فضایی باعث ایجاد یک حالت پایدار می‌شود (شکل 6).

در بسیاری از موارد، باتوجه به هدف موردنظر، می‌توان محیط را برای کاهش یا افزایش سد انرژی تغییر داد. برای این منظور از روش‌های مختلفی مانند تغییر محیط یونی، pH و افزودن موادی با سطح فعال برای تغییر بار کلوئیدها، استفاده می‌شود. در هر مورد، اندازه‌گیری پتانسیل زتا می‌تواند شدت اثر تغییر را بر روی پایداری کل نشان دهد.

2-3- اندازه گیری پتانسیل زتا

پتانسیل زتای یک ذره را می‌توان به وسیله معادله هنری (در صورت معلوم بودن قابلیت تحرک الکتروفورتیک نمونه) به دست آورد:

که در آن U_e قابلیت تحرک الکتروفورتیک، Ɛ ثابت دی‌الکتریک نمونه، ξ پتانسیل زتا و (f (ka تابع هنری هستند. معمولاً تابع هنری با استفاده از تقریب‌های هوکل و اسمولوچفسکی، به ترتیب مقادیر 1 و 1/5 است. پتانسیل زتا، با تلفیق تکنیک‌های اندازه‌گیری دیگر، مانند تلفیق دو روش الکتروفورز و روش LDV (Laser Doppler Velocimetry) تعیین می‌شود. این تکنیک LDE (Laser Doppler Electrophoresis) نامیده شده و چگونگی حرکت یک ذره سریع در مایع (سرعت ذره) را هنگام اعمال میدان الکتریکی اندازه‌گیری می‌کند. برای این منظور یک میدان الکتریکی با قدرت مشخص، روی نمونه‌ای که لیزر از آن عبور می‌کند، به کار برده می‌شود.
قابلیت تحرک الکتروفورتیک کلوئید، تعیین‌کننده سرعتی است که ذرات باردار با آن حرکت می‌کنند. این موضوع سبب القای یک جابه‌جایی فرکانس در پرتو لیزر می‌شود. با استفاده از تقریب‌های هوکل و اسمولوچفسکی برای تابع هنری، ثابت دی‌الکتریک نمونه، ویسکوزیته فاز مایع و در نهایت تحرک الکتروفورتیک، پتانسیل زتای ذرات در کلویید قابل محاسبه است. برای تعیین اندازه ذرات از روش (DLS (Dynamic Light Scattering استفاده می‌شود.

3-3- کاربردهای پتانسیل زتا

از پتانسیل زتا می‌توان به عنوان ابزاری برای مطالعه دقیق توزیع پتانسیل در فصل مشترک استفاده کرد. این بررسی در حضور یون‌های ساده و سیستم‌های پیچیده‌تر مانند مواد فعال سطحی، یون‌های چند ظرفیتی، پلیمرها و حتی پروتئین‌ها نیز قابل انجام است. همچنین پتانسیل زتای نمونه، در تعیین تمایل ذرات درون مایع برای اتصال به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• کانی‌ها و سنگ‌های معدن
بسیاری از مواد معدنی خام نظیر سنگ معدن مس، قلع، روی و تنگستن با غربال‌ کردن، مخلوط‌ کردن به کمک یک جمع‌کننده (Collector) و سپس معلق‌ کردن در آب، جدا می‌شوند. در مرحله بعدی که شناورسازی نام دارد، درون مخلوط، هوا دمیده شده و جمع‌کننده باعث چسبیدن مواد معدنی جمع‌آوری‌شده می‌شود که می‌توان آن را به کمک پتانسیل زتای ذرات کنترل کرد.

• رس و گل حفاری
رس به عنوان گل حفاری چاه‌های آب و چاه‌های نفت مورد استفاده قرار می‌گیرد و از نظر شیمیایی این ویژگی را دارد که در طول عمل حفر، خواص آن تغییر می‌کند. برای مراحل ابتدایی حفر، یک سوسپانسیون به شدت باردار مناسب است. در این حالت، آن‌ها به صورت کلوئیدهای جدا از هم بوده و می‌توانند در دیواره متخلخل چاه حفر شده نفوذ کرده و با مسدود کردن رخنه‌های درون خاک، یک لایه نازک نشت‌ناپذیر تولید کنند. با این عمل از هدر‌رفتن گل حفاری جلوگیری می‌شود. در ادامه، بار الکتریکی ذرات کاهش یافته و یک سوسپانسیون توده‌ای به وجود می‌آید که در حال حفر از انسداد در مناطق زیرین جلوگیری می‌کند.

• سرامیک
برای اطمینان از فشرده و متراکم بودن ذرات سرامیک، پتانسیل زتای بالایی مورد نیاز است و در این حالت، نمونه دوام زیادی دارد. برای تولید ابزارآلات و وسایل سرامیکی در حجم‌های بالا از روش ریخته‌گری دوغابی استفاده می‌شود. یک سوسپانسیون رسی تهیه شده و داخل قالب‌های منفذدار ریخته می‌شود و آب را به کمک خاصیت مویینگی از ذرات رس جذب می‌کنند. هنگامی که آب کاملاً خارج شد لایه مورد نظر تشکیل می‌شود. ساختار لایه رس بستگی به درجه پراکندگی سوسپانسیون رس دارد. در روش ریخته‌گری دوغابی، سوسپانسیون‌های رسی برای قالب‌گیری باید دارای کمترین ویسکوزیته باشند تا به راحتی حباب‌های هوای داخل خود را رها کنند. شکل (7) تأثیر pH را بر روی ویسکوزیته و پتانسیل زتای توریا (ThO_з) نشان می‌دهد. بیشترین مقدار پتانسیل زتا مربوط به مقادیر کم ویسکوزیته است.

• رنگ‌ها
رنگ‌دانه‌های درون رنگ باید به اندازه کافی پراکنده و جدا از هم باشند تا رنگ عملکرد مطلوبی داشته باشد. اگر رنگ‌دانه‌ها تجمع یافته و به صورت توده در آیند، از کیفیت رنگ کاسته می‌شود. نرمی، صافی و بافت رنگ نیز بر روی درجه پراکندگی ذرات مؤثر است. اندازه‌گیری پتانسیل زتا در این مورد، می‌تواند برای کنترل کیفیت رنگ و مقدار ماده افزودنی برای بهینه‌کردن میزان پراکندگی به کار رود.

• لخته‎سازی در فرایند تصفیه آب و فاضلاب
عمل انعقاد و لخته‌سازی در تصفیه آب و فاضلاب به تغییر pH، افزایش مواد لخته‌کننده (نظیر پلیمرها) و حضور آلومنیوم کلرید یا نمک‌های با بار زیاد وابسته است. اندازه‌گیری پتانسیل زتا، با در نظر گرفتن این پارامترها، برای تصفیه بهینه فاضلاب مورد توجه است. استفاده از پتانسیل زتا یک روش سهل و راحت برای بهینه‌کردن میزان ماده لخته‌کننده در فرایند تصفیه آب و فاضلاب است. کلوئیدها به خاطر اندازه کوچک‎شان به راحتی از صافی فرار می‌کنند. کلوئید‌ها دشوارترین جامدات معلق، برای جداکردن از آب هستند. نکته کلیدی برای حذف مؤثر کلوئیدها، کاهش پتانسیل زتا با لخته‌کردن توسط آلوم، آهن کلرید (III) یا پلیمرها کاتیونی است. با به کارگیری مواد ذکر شده، لخته‌های بسیار ریز شروع به تجمع کرده و رشد می‌کنند. در این حالت به راحتی رسوب کرده و قابل صاف کردن هستند.

• داروها
خواص فیزیکی یک سوسپانسیون دارویی، اثر بخشی دارو را در فرد استفاده‎کننده تحت تأثیر قرار می‌دهد. یک سوسپانسیون خوب به صورت لخته در نیامده و برای مدت طولانی شکل خود را حفظ می‌کند. در مورد کلوئیدهای ریز، این موضوع با اضافه‌کردن یک گونه تعلیق‌کننده برای افزایش پتانسیل زتا و تولید بیشترین مقدار دافعه بین ذرات قابل دسترسی است.
چنین سیستمی، با سرعت بسیار کم رسوب می‌کند. راه دیگر، که گاه مطلوب‌تر است، تولید یک سوسپانسیون لخته‌شده ضعیف است. ذرات لخته شده به سرعت ته‌نشین شده و یک توده چسبنده سست را پدید می‌آورند که با یک تحریک آرام به سادگی به صورت معلق در می‌آید. این لختگی سست و ضعیف نیاز به پتانسیل زتا در حد صفر دارد.
به هر حال پتانسیل زتا دارای کاربرد‌های متعددی بوده و شناخت و نحوه به کارگیری و تنظیم آن، در بسیاری از صنایع مفید است.