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Aspects dynamiques du potentiel de streaming

Introduction & théorie

Le potentiel zêta est un paramètre clé en science des colloïdes et en électrochimie. Il fait référence au potentiel électrique au niveau du plan de cisaillement (l'interface entre la surface solide et le liquide environnant) d'une particule colloïdale ou d'une surface solide. Lorsqu'un matériau entre en contact avec un liquide, les groupes fonctionnels présents à sa surface subissent des réactions avec le milieu environnant. Cette interaction induit une charge de surface, qui attire à son tour des ions de charge opposée du milieu. Les ions de contrepartie s'organisent spontanément en une double couche électrochimique à la surface. Le potentiel zêta est le résultat de la distribution des charges du liquide environnant sur la surface du matériau et des interactions avec les ions dans le liquide environnant. 

Le potentiel zêta peut être déterminé en utilisant différentes techniques, en fonction de la nature et de la taille de l'échantillon, telles que la mesure du potentiel zêta par diffusion de lumière électrophorétique (ELS) ou la mesure du potentiel de streaming. Si le potentiel de streaming est utilisé pour déterminer le potentiel zêta, non seulement le potentiel zêta de surface de l'échantillon solide peut être analysé, mais aussi des informations sur la cinétique d'adsorption peuvent être recueillies. Par conséquent, l'extension du potentiel de streaming conventionnel - le soi-disant potentiel de streaming dynamique - peut être utilisée.

Cet article présente le potentiel de streaming dynamique, élabore ses distinctions par rapport au potentiel de streaming classique, et explique une large gamme d'applications différentes, dans lesquelles le potentiel de streaming dynamique offre de nouvelles possibilités. 

Potentiel de streaming classique

Le potentiel de streaming est un phénomène qui se produit dans des capillaires remplis de liquide ou des matériaux poreux lorsqu'il y a un mouvement relatif entre le liquide et les surfaces solides. 

Lorsqu'un matériau solide entre en contact avec un liquide, les groupes fonctionnels présents à sa surface subissent des réactions avec le milieu environnant. Deux processus critiques se produisent : l'adsorption des ions d'eau à la surface (Figure 1a) et les interactions chimiques entre les groupes fonctionnels (acides et basiques) de la surface (Figure 1b) et le milieu liquide.

Ces interactions conduisent au développement d'une charge de surface, qui attire ensuite des ions de charge opposée du liquide environnant. Ces ions de contrepartie s'attachent dans une couche, connue sous le nom de double couche électrochimique, à la surface ou autour de la particule. Le potentiel zêta représente l'effet cumulatif de la charge de surface initiale et de la couche d'ions contre assemblée.[1]

Pour évaluer le potentiel de streaming, l'échantillon solide est positionné dans une cellule de mesure appropriée dans l'instrument SurPASS 3, créant un canal capillaire avec les morceaux d'échantillon. Ensuite, le canal est rempli d'une solution électrolytique aqueuse, généralement une solution saline diluée. Les charges se développent à l'interface entre l'échantillon solide et la solution électrolytique par des réactions acide-base sur des surfaces contenant des groupes fonctionnels (Figure 2).

Lorsque la mesure est lancée, un gradient de pression est appliqué à la solution électrolytique, induisant un flux à travers la capillaire dans la cellule de mesure, comme montré dans Figure 3. Ce mouvement entraîne les charges à l'interface liquide/solide à se déplacer avec le flux, entraînant une accumulation de porteurs de charge d'un côté de la cellule de mesure et une déplétion de l'autre côté (Figure 4).

Figure 1 : Présentation schématique de la formation de charge à l'interface solide-liquide pour une surface de matériau hydrophobe (a). Présentation schématique de la formation de charge à l'interface solide-liquide pour une surface de matériau hydrophobe (b).

Figure 2 : Formation de charge à l'interface de l'échantillon solide et de la solution électrolytique.

Figure 3 : L'application du gradient de pression à la solution électrolytique entraîne l'induction d'un flux à travers la cellule de mesure.

Figure 4 : Génération du potentiel de streaming Ustr le long du canal d'écoulement.

Le potentiel de streaming mesuré, ainsi que la pression appliquée, est utilisé pour calculer le potentiel zêta de surface de l'échantillon. Ce dernier est dérivé du potentiel d'écoulement en utilisant l'équation 1 où Ustr est le potentiel streaming, Δp est la différence de pression à travers l'échantillon, ε_o est la permittivité du vide, ε_r, η et B sont la constante diélectrique, la viscosité de l'électrolyte et la conductivité, respectivement.

$$\zeta = -\frac{dU}{d\Delta p} \frac{\eta k_B}{\epsilon_r \epsilon_0}$$

Équation 1

La formation de charge de surface par des réactions acide-base, un mécanisme principal générant le potentiel zêta, dépend fortement du pH de la solution aqueuse. Par conséquent, l'enregistrement de la dépendance du pH du potentiel zêta est une pratique courante pour comprendre la nature des groupes de surface fonctionnels et pour déterminer le point isoélectrique (le pH auquel le potentiel zêta de l'échantillon est nul).

Lors de l'ajustement du pH en introduisant différents composés chimiques (par exemple, des tensioactifs, des polyelectrolytes, des polypeptides, des protéines), les interactions entre ces composés et la surface du matériau peuvent être étudiées. Les forces attractives, telles que les interactions électrostatiques et hydrophobes, font que ces composés dissous s'adsorbent sur la surface solide.

Processus d'adsorption

L'adsorption fait référence à l'adhérence d'atomes, d'ions ou de molécules (solutés) d'un gaz, d'un liquide ou d'un solide dissous sur une surface, formant un film de l'adsorbât sur la surface de l'adsorbant. C'est un processus dans lequel des molécules ou des particules adhèrent à une surface solide ou à un matériau liquide, comme le montre la  Figure 5. C'est un phénomène fondamental dans de nombreux domaines, y compris la chimie, la physique, l'ingénierie et la technologie environnementale.

Figure 5 : Illustration schématique de l'adsorbant adhérant à une surface et désorbant de la surface

Isothermes d'adsorption

Un concept important dans ce contexte est l'isotherme d'adsorption. Il décrit comment les substances adhèrent à une surface à une température constante (le terme "isotherme" est dérivé des mots grecs "ísos" signifiant "égal" et "thérmē" signifiant "chaleur").[2] Ces isothermes peuvent être dérivés des mesures de potentiel de streaming. La signification des isothermes d'adsorption réside dans leur capacité à caractériser mathématiquement le processus d'adsorption et à prédire le comportement dans l'état d'équilibre ; cela signifie qu'ils aident à décrire et à prédire comment les substances adhéreront à une surface lorsque l'état d'équilibre est atteint à une température constante.

Un examen plus approfondi révèle que les isothermes d'adsorption fournissent une représentation quantitative de la façon dont l'adsorption change en réponse aux variations de la concentration de l'adsorbant dans le système. Cela contribue à comprendre les mécanismes fondamentaux et les dynamiques contrôlant le processus d'adsorption. En analysant les isothermes d'adsorption, on peut prédire la capacité d'adsorption d'un matériau à l'équilibre dans diverses conditions (par exemple, des changements de valeur de pH ou de force ionique de la solution électrolytique). Cette compréhension est bénéfique pour optimiser les processus afin d'atteindre les niveaux d'adsorption souhaités. De plus, les isothermes d'adsorption sont utilisés pour caractériser les matériaux adsorbants, facilitant l'évaluation de leurs propriétés. Étant donné que différents matériaux peuvent présenter des comportements d'adsorption uniques, les isothermes jouent un rôle crucial dans l'évaluation de leur adéquation à des applications spécifiques.

La figure 7 affiche l'isotherme d'adsorption obtenu à partir de la cinétique d'adsorption observée, illustrant comment le processus d'adsorption évolue dans le temps et est influencé par la réponse du potentiel zêta aux variations de la concentration d'adsorbant. À mesure que la concentration de l'adsorbat dans la solution électrolytique augmente, le potentiel zêta négatif de l'adsorbant (par exemple, une surface) diminue jusqu'à ce qu'une inversion de charge se produise. La température est maintenue constante tout au long de la mesure.

Figure 7 : Illustration d'une isotherme d'adsorption - l'ajout de l'adsorbant modifie le potentiel zêta à une température constante

Cinétique d'adsorption

la température, la pression et la concentration de l'adsorbant influencent ce processus. La cinétique de l'adsorption est souvent dictée par les étapes limitantes, qui sont les étapes qui ralentissent le processus global, par exemple la diffusion de l'adsorbant à travers la phase liquide jusqu'à la surface de l'adsorbant, la diffusion à l'intérieur des pores de l'adsorbant, ou la formation réelle de liaisons entre l'adsorbant et l'adsorbant. Comprendre la cinétique est crucial pour divers systèmes physiques, biologiques et chimiques, et a de larges applications dans les processus industriels.

Inversement, la désorption fait référence au processus par lequel des atomes ou des molécules se détachent de la surface d'un solide, libérant ainsi efficacement la substance adsorbée. 

Potentiel de streaming dynamique

Le potentiel de streaming dynamique étend la mesure classique du potentiel de streaming en permettant la surveillance en temps réel des interactions entre les solutés et les surfaces solides. Cette méthode ne se concentre pas principalement sur des processus statiques, mais met l'accent sur les changements temporels, en se concentrant sur des phénomènes tels que l'accumulation de substances dissoutes et les effets de l'adsorption et de la désorption sur des surfaces solides. 

Le principe est simple : un adsorbant est ajouté à la solution électrolytique, et les changements résultants du potentiel de streaming sont enregistrés au fil du temps.

Si l'adsorption de substances sur une surface est réversible, la désorption peut être réalisée en échangeant les liquides, permettant aux substances adsorbées de se détacher de la surface et de restaurer l'état initial de la surface solide. Dans l'évaluation du potentiel de streaming dynamique, l'accent principal est mis sur la surveillance des changements de charge tout au long de la mesure. 

Ce changement ne signifie pas nécessairement que le signe du potentiel zêta change, mais plutôt un changement dans la charge nette de la surface solide. Ce changement peut être examiné en ajustant divers facteurs, tels que la composition ou le changement de la valeur du pH de la solution électrolytique. 

Applications

Les phénomènes d'adsorption et de désorption jouent des rôles essentiels dans divers aspects de la vie quotidienne, englobant des activités telles que le lavage des textiles, le lavage des cheveux et des applications dans les sciences médicales et de la vie. Alors que certaines applications bénéficient de l'adsorption souhaitable de substances sur des surfaces, d'autres nécessitent son évitement. Par conséquent, l'évaluation du potentiel de streaming dynamique s'avère précieuse dans de nombreuses industries pour examiner la cinétique d'adsorption des substances sur diverses surfaces solides.

Cosmétiques

En raison de la diversité des types de cheveux, des tendances et d'autres facteurs influençant la santé des cheveux, les soins capillaires sont un domaine d'application intéressant. 

Le développement de formulations polyvalentes et, par conséquent, complexes nécessite une compréhension approfondie de la manière dont les produits de soin capillaire affectent directement la texture des cheveux. L'étude du potentiel zêta de surface à l'interface entre les fibres capillaires et une émulsion aqueuse du produit de soin capillaire est cruciale pour comprendre comment les composants de la formulation interagissent avec la surface des cheveux, permettant des ajustements précis à la composition de la formulation.

La figure 8 illustre un cycle typique de lavage des cheveux. Dans cette expérience, une portion d'une mèche de cheveux caucasiens a d'abord été rincée avec une solution tampon aqueuse puis traitée avec du shampooing. Le shampooing a été rincé avant qu'un revitalisant ne soit appliqué.

Figure 8 : Résultats du potentiel de streaming dynamique pour les cheveux traités avec du shampooing suivi d'un revitalisant

Au départ, les cheveux non traités présentent un potentiel zêta négatif. L'application de shampooing réduit l'ampleur de ce potentiel zêta négatif. Le rinçage du shampooing entraîne le potentiel zêta revenant à ses valeurs d'origine, indiquant que les cheveux étaient déjà propres avant l'application du shampooing. Lors de l'application du revitalisant, le potentiel zêta inverse de signe, indiquant l'adsorption du revitalisant. Après le rinçage du revitalisant, le potentiel zêta diminue en magnitude mais reste positif, suggérant que certains des revitalisants deviennent irréversiblement liés à la surface des cheveux, tandis que l'excès est éliminé lors du rinçage.

Dans ce contexte, l'analyse du potentiel de streaming dynamique, également en combinaison avec la détermination du potentiel zêta à l'aide de la diffusion de la lumière électrophorétique (ELS), est très instructive. En déterminant le potentiel zêta de la formulation liquide et le potentiel de streaming dynamique lors de son application sur les cheveux humains, le chimiste cosmétique obtient une vue d'ensemble de la stabilité des produits et de son interaction avec la structure des cheveux pendant l'application.

Soin des Textiles

Les processus d'adsorption sont intégrés dans l'entretien textile, ainsi que dans le nettoyage et l'élimination des taches. L'adsorption implique l'adhérence de molécules ou de particules à la surface d'un matériau solide, un principe utilisé dans divers processus d'entretien des textiles tels que l'élimination des taches, l'adoucissement des tissus et l'application de matériaux de fonctionnalisation spécifiques. 

Les détergents et les détachants contiennent des tensioactifs, des enzymes et d'autres produits chimiques qui facilitent la désorption de la saleté, des huiles et d'autres composants des taches. Ces agents de nettoyage entourent les particules de tache, augmentant leur solubilité dans l'eau et permettant un retrait plus facile lors du lavage. Les assouplissants utilisent des tensioactifs cationiques qui s'adsorbent à la surface du tissu. Ces molécules chargées positivement réduisent le frottement entre les fibres, ce qui donne un tissu plus doux et plus lisse. De plus, ils confèrent des propriétés antistatiques et améliorent la texture globale et la sensation sur la peau du textile.

En déterminant le potentiel zêta via ELS du détergent ou de l'assouplissant combiné à la détermination du potentiel dynamique de streaming, une vue d'ensemble large est obtenue afin de comprendre l'application complète dans l'intégralité des composants.

Adsorption de protéines

Le domaine de recherche sur l'adsorption des protéines sur les surfaces semble être aussi populaire que jamais. Il fait référence au processus par lequel les protéines adhèrent à la surface d'un matériau ou d'une interface. L'adsorption des protéines sur les surfaces est un processus dynamique et complexe influencé par divers facteurs, y compris les propriétés physico-chimiques du matériau, la nature des protéines et le milieu environnant. Les protéines peuvent subir des changements conformationnels lors de l'adsorption, et l'étendue et le modèle d'adsorption peuvent influencer la performance et la biocompatibilité du matériau.

Dans les applications médicales, comprendre l'adsorption des protéines est crucial pour le développement de biomatériaux, d'implants et de dispositifs médicaux. L'interaction entre les protéines et les surfaces peut influencer l'adhésion cellulaire, la réponse des tissus et la biocompatibilité globale du matériau.

L'adsorption des protéines est souvent étudiée pour concevoir des surfaces qui favorisent ou inhibent la liaison des protéines, en fonction de l'application prévue. Les modifications de surface, les revêtements et les approches biomimétiques sont utilisés pour contrôler l'adsorption des protéines et améliorer la fonctionnalité des matériaux dans divers contextes biomédicaux et industriels, tels que les  biomatériaux (par exemple, les implants médicaux).

Figure 9 : Schéma de formation de biofilm

La figure 9 montre la formation d'un biofilm sur une surface d'implant. Dans la formation de biofilm, les micro-organismes adhèrent aux surfaces et créent une matrice de substances polymériques extracellulaires (EPS). L'adsorption des protéines joue un rôle crucial dans les premières étapes du développement du biofilm. Les protéines dans l'environnement environnant s'adsorbent sur les surfaces, formant un film de conditionnement qui favorise l'attachement microbien. Les protéines adsorbées contribuent également à la formation de la matrice EPS, fournissant un soutien structurel pour le biofilm. Contrôler l'adsorption des protéines est une stratégie pour prévenir ou perturber la formation de biofilm, avec des implications pour des domaines tels que la médecine où minimiser le biofilm sur les dispositifs médicaux est important pour prévenir les infections.

La compatibilité des matériaux d'implant comme l'acier inoxydable ou le titane avec le corps humain repose sur la biocompatibilité de la surface de l'implant. La biocompatibilité est influencée par divers attributs de surface. La charge à la surface régit les attractions électrostatiques qui sont cruciales pour lier les protéines, nécessaires à l'intégration de matériaux comme les implants dentaires dans l'os, ce qu'on appelle "l'osseointégration". Pendant ce temps, la capacité à repousser certaines interactions électrostatiques aide à éviter l'attachement de protéines qui peuvent causer des infections. Ainsi, une compréhension approfondie de ces caractéristiques de surface est essentielle pour créer et évaluer des biomatériaux pour des implants.

Conclusion

Dans cet article, nous introduisons une extension de la mesure classique du potentiel de streaming, le soi-disant potentiel de streaming dynamique. Cette méthode nous aide considérablement à comprendre les processus d'adsorption à l'interface solide-eau. 

Nous décrivons la mesure du potentiel de streaming dynamique et ses différences par rapport au potentiel de streaming conventionnel. Cette méthode d'analyse du potentiel zêta et d'enregistrement des isothermes d'adsorption permet une meilleure compréhension des phénomènes d'adsorption à l'interface solide-eau. Cette perspective améliorée est importante pour guider l'optimisation et le perfectionnement des produits dans ces domaines, garantissant leur performance et leur efficacité améliorées dans différentes applications. 

Littérature supplémentaire

Références

1. Luxbacher, Thomas. 15The ZETA Guide. Graz : Anton Paar GmbH, 2014.

[2] Gemoll, Wilhelm. Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. Munich/Vienne : G. Freytag Verlag/Hölder-Pichler-Tempsky, 1965

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