Liquido nanodisperso
Un liquido nanodisperso è un sistema eterogeneo in cui particelle solide con dimensioni caratteristiche nell'ordine dei nanometri sono distribuite finemente in una fase liquida continua. Idealmente, le particelle sono presenti come singole particelle primarie. In questo caso si parla di nanodispersione priva di agglomerati. La produzione di liquidi nanodispersi è complessa dal punto di vista energetico e tecnico. Le nanoparticelle hanno una superficie specifica molto elevata e quindi un'elevata energia superficiale libera. Ciò porta a forti forze di attrazione interparticellari, in particolare forze di Van der Waals. Queste forze favoriscono l'agglomerazione e devono essere completamente superate durante il processo di dispersione.
L'energia di disaggregazione necessaria è direttamente correlata alla nuova superficie da generare. Il dispendio energetico minimo può essere descritto approssimativamente tramite l'energia superficiale:
E ≈ γ · ΔA
Dove γ è l'energia superficiale specifica del solido e ΔA è la nuova superficie che si forma quando si rompono gli agglomerati. Poiché ΔA aumenta notevolmente con la diminuzione della dimensione delle particelle, il fabbisogno energetico per i sistemi nanodispersi aumenta in modo più che proporzionale.
Nei processi reali, l'energia meccanica applicata localmente deve essere superiore all'energia di legame degli agglomerati. In questo caso, non è determinante solo l'energia totale, ma anche la densità di potenza e di energia nella camera di dispersione. Una disaggregazione efficace richiede elevate velocità di taglio locali, energie d'urto o tensioni indotte dalla pressione, come quelle che si verificano, ad esempio, negli impianti ad alta velocità di taglio, di macinazione o di cavitazione.
L'aria ambiente rappresenta una variabile di disturbo significativa nella dispersione di polveri nanodisperse in liquidi. Durante l'immissione della polvere viene introdotta aria che, come fase gassosa, crea ulteriori interfacce. Le nanoparticelle si adsorbono preferibilmente alle interfacce gas-liquido, poiché ciò è energeticamente vantaggioso. Ciò favorisce la formazione di agglomerati stabili e impedisce la completa bagnatura delle particelle. L'effetto è particolarmente pronunciato nei liquidi ad alta viscosità, poiché le bolle d'aria intrappolate fuoriescono solo lentamente e il trasferimento effettivo dello scorrimento viene ridotto localmente.
Oltre alla disgregazione, è fondamentale anche la stabilità della dispersione. I liquidi nanodispersi sono termodinamicamente instabili, ma possono essere stabilizzati cineticamente. Senza stabilizzazione, le nanoparticelle tendono a reagglomerarsi a causa della loro elevata energia superficiale. La stabilità è tipicamente descritta dalla repulsione elettrostatica, ad esempio nell'ambito della teoria DLVO, o dall'ostacolo sterico mediante additivi polimerici o molecolari.
La sedimentazione delle particelle nanodisperse è fortemente ridotta. La velocità di sedimentazione segue approssimativamente la legge di Stokes ed è proporzionale al quadrato del diametro delle particelle. Per le nanoparticelle, la sedimentazione è spesso sovrastata o completamente compensata dal moto browniano. In molti casi, i liquidi nanodispersi sono quindi stabili alla sedimentazione per lunghi periodi di tempo, purché non si verifichi agglomerazione.