Separación de fases

Mezcla de los líquidos A y B y posterior separación de fases.
Cuando se mezclan, el aceite y el vinagre se separarán en fases.
Diagrama de fases para dos isótopos de helio, que muestra en la parte inferior un rango de temperaturas y proporciones en las que se producirá la separación de fases.

La separación de fases es la creación de dos fases distintas a partir de una única mezcla homogénea.[1] El tipo más común de separación de fases ocurre entre dos líquidos inmiscibles, como el aceite y el agua. Este tipo de separación de fases se conoce como equilibrio líquido-líquido. Los coloides pueden formarse por separación de fases, aunque no todas las separaciones de fases forman coloides; por ejemplo, el aceite y el agua pueden formar capas separadas por gravedad en lugar de permanecer como gotitas microscópicas en suspensión.[2]

Tipos de separación de fases

Separación líquido-líquido (LLPS)

La separación líquido-líquido es el tipo más estudiado y común. Ocurre cuando dos o más líquidos se mezclan pero no forman una solución estable, separándose en dos fases líquidas distintas. Un ejemplo cotidiano es la mezcla de aceite vegetal y agua: al agitarlos se forma una emulsión temporal, pero al reposar se separan en dos capas bien definidas.[3]

Descomposición espinodal

Una forma común de separación de fases espontánea se denomina descomposición espinodal; la ecuación de Cahn-Hilliard la describe matemáticamente.[4] En la descomposición espinodal, la mezcla inicialmente homogénea es inestable frente a pequeñas fluctuaciones de concentración, lo que lleva a una separación de fases con una morfología interconectada característica (estructura bicontinua). Este mecanismo es fundamental en la formación de ciertos tipos de vidrios y aleaciones metálicas.[5]

Separación de fases inducida por temperatura

Las regiones de un diagrama de fases en las que ocurre la separación de fases se llaman brechas de miscibilidad. Hay dos curvas límite importantes: la curva de coexistencia binodal y la curva espinodal.[6]

  • Región estable (fuera de la binodal): Las mezclas son absolutamente estables y permanecen homogéneas.
  • Región metaestable (entre la binodal y la espinodal): Las mezclas pueden permanecer mezcladas (o no mezcladas) en ausencia de una perturbación significativa. La separación requiere un evento de nucleación, como una partícula de polvo o una imperfección en la superficie del recipiente.[7]
  • Región inestable (dentro de la espinodal): La mezcla es absolutamente inestable y, si se parte de un estado mixto, se separará espontáneamente en fases mediante descomposición espinodal.

Temperaturas críticas de solución

La temperatura crítica superior de solución (UCST) y la temperatura crítica inferior de solución (LCST) son dos temperaturas críticas que delimitan la miscibilidad.[8]

  • UCST: Por encima de esta temperatura, los componentes son miscibles en todas las proporciones. Por debajo, puede ocurrir separación de fases. Ejemplo: mezclas de agua y ciertos polímeros como el poliestireno en ciclohexano.
  • LCST: Por debajo de esta temperatura, los componentes son miscibles. Por encima, se separan. Es menos común, pero ocurre en sistemas como la mezcla de agua y nicotina, o soluciones acuosas de óxido de polietileno.

El sistema nicotina-agua es un ejemplo raro que presenta ambas temperaturas críticas: tiene una LCST de 61 °C y una UCST de 210 °C (a presiones suficientemente altas para mantener agua líquida). Por lo tanto, los componentes son miscibles en todas las proporciones por debajo de 61 °C y por encima de 210 °C, y parcialmente miscibles en el intervalo de 61 a 210 °C.[9]

Base física

La mezcla se rige por la energía libre de Gibbs. La separación de fases o la mezcla ocurren si disminuye la energía libre de Gibbs del sistema.[10]

puede descomponerse en dos partes: , con la entalpía, la temperatura y la entropía. Por lo tanto, el cambio de energía libre en la mezcla es la suma de la entalpía de mezcla y la entropía de mezcla:

  • Entalpía de mezcla (): Es cero para mezclas ideales. En mezclas reales, puede ser positiva (endotérmica, desfavorable para la mezcla) o negativa (exotérmica, favorable).
  • Entropía de mezcla (): Generalmente es positiva porque las partículas tienen más configuraciones disponibles al mezclarse. La entropía favorece la mezcla.

La separación de fases ocurre cuando el término entálpico desfavorable () supera al término entrópico favorable (), lo que hace que . Esto ocurre típicamente a bajas temperaturas, donde el término es pequeño.[11]

Caso especial: entropía desfavorable

En algunos sistemas menos comunes, la entropía de mezcla puede ser desfavorable (negativa). Esto ocurre cuando las interacciones entre moléculas diferentes son muy específicas, llevando a una mayor organización en la mezcla que en los componentes puros. En este caso, incluso si (exotérmico, favorable), la separación de fases ocurrirá a menos que la temperatura sea suficientemente baja. Este fenómeno es responsable de la existencia de la temperatura crítica inferior de solución (LCST).[7]

Aplicación a polímeros y sistemas biológicos

En soluciones de polímeros, la separación de fases es particularmente relevante debido al gran tamaño de las cadenas poliméricas, que reduce significativamente la entropía de mezcla ( es muy pequeña). Esto hace que los polímeros sean mucho más propensos a la separación de fases que las moléculas pequeñas.[12] La teoría de Flory-Huggins describe termodinámicamente este comportamiento.[13]

En biología celular, la separación de fases líquido-líquido (LLPS) ha emergido como un mecanismo fundamental para la organización intracelular. Muchos orgánulos sin membrana (como los nucléolos, los gránulos de estrés y los cuerpos P) se forman mediante LLPS de proteínas y ARN.[14][15]

Separación de fases en sistemas cuánticos

Mezclas de isótopos de helio

Una mezcla de dos isótopos de helio (helio-3 y helio-4) en un cierto rango de temperaturas y concentraciones se separa espontáneamente en dos fases: una rica en y otra rica en . Este fenómeno, observable a temperaturas cercanas al cero absoluto (por debajo de 0.87 K), es fundamental para el funcionamiento de los refrigeradores de dilución, utilizados para alcanzar temperaturas en el rango de milikelvin.[16]

Gases ultrafríos

La separación de fases también existe en sistemas de gases ultrafríos, donde se pueden controlar con precisión las interacciones entre átomos.[17] Se ha demostrado experimentalmente la separación de fases en un gas de Fermi ultrafrío de dos componentes con poblaciones desbalanceadas.[18][19]

En estos sistemas, la separación de fases puede competir con otros fenómenos cuánticos, como la formación de redes de vórtices o la aparición de la fase exótica de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO), un estado superconductor no convencional que ocurre en presencia de campos magnéticos intensos o poblaciones de espín desbalanceadas.[20]

Aplicaciones tecnológicas e industriales

Industria alimentaria

La separación de fases es un fenómeno crítico en la producción de emulsiones alimentarias (mayonesa, helados, salsas). Comprender las condiciones que previenen la separación de fases es esencial para garantizar la estabilidad y vida útil de estos productos.[21]

Industria farmacéutica

En la formulación de fármacos, la separación de fases puede ser un problema (causando inestabilidad de suspensiones y emulsiones) o una herramienta útil (por ejemplo, en la formación de microesferas para liberación controlada de fármacos mediante separación de fases por coacervación).[22]

Ingeniería de materiales

La descomposición espinodal se utiliza para fabricar materiales nanoestructurados con morfologías controladas, como membranas porosas, vidrios de alto rendimiento y aleaciones metálicas con propiedades mecánicas mejoradas.[23]

Ingeniería de proteínas y biotecnología

La separación de fases líquido-líquido se utiliza en la purificación de proteínas mediante extracción acuosa bifásica (ATPS, por sus siglas en inglés), un método suave que no desnaturaliza las proteínas. También es fundamental en el diseño de sistemas de encapsulación enzimática y en la comprensión de enfermedades neurodegenerativas asociadas a la agregación proteica.[24]

Véase también

Referencias

  1. ↑ «Phase separation». IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the "Gold Book") (2nd edición). Oxford: Blackwell Scientific Publications. 1997. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook.P04534.
  2. ↑ Jones, R. A. L. (2002). Soft Condensed Matter. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850589-1.
  3. ↑ Hyman, Anthony A.; Brangwynne, Clifford P.; Weber, Christoph; Jülicher, Frank (15 de marzo de 2012). «Liquid-liquid phase separation in biology». Annual Review of Cell and Developmental Biology 28: 39-58. PMID 22905954. doi:10.1146/annurev-cellbio-101011-155823.
  4. ↑ Cahn, John W.; Hilliard, John E. (1 de julio de 1958). «Free Energy of a Nonuniform System. I. Interfacial Free Energy». The Journal of Chemical Physics 28 (2): 258-267. Bibcode:1958JChPh..28..258C. ISSN 0021-9606. doi:10.1063/1.1744102.
  5. ↑ Jones, R. A. L. (2002). Soft Condensed Matter. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850589-1.
  6. ↑ Flory, Paul J. (1953). Principles of Polymer Chemistry. Cornell University Press. ISBN 978-0-8014-0134-3.
  7. 1 2 Debenedetti, Pablo G. (1996). Metastable Liquids: Concepts and Principles. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-08595-1.
  8. ↑ Alexandridis, Paschalis; Holzwarth, John F.; Hatton, T. Alan (1 de julio de 1997). «Phase behaviour of poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) triblock copolymers in water». Current Opinion in Colloid & Interface Science 2 (5): 478-489. ISSN 1359-0294. doi:10.1016/S1359-0294(97)80045-7.
  9. ↑ Hudson, C. S.; Schmidt, C. L. A. (1 de marzo de 1927). «The system nicotine-water». The Journal of General Physiology 10 (4): 515-522. ISSN 0022-1295. PMC 2140912. PMID 19872332. doi:10.1085/jgp.10.4.515.
  10. ↑ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2010). Physical Chemistry (9th edición). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-954337-3.
  11. ↑ de Gennes, Pierre-Gilles (1979). Scaling Concepts in Polymer Physics. Cornell University Press. ISBN 978-0-8014-1203-5.
  12. ↑ Flory, Paul J. (1953). Principles of Polymer Chemistry. Cornell University Press. ISBN 978-0-8014-0134-3.
  13. ↑ Flory, Paul J. (1 de abril de 1942). «Thermodynamics of High Polymer Solutions». The Journal of Chemical Physics 10 (1): 51-61. Bibcode:1942JChPh..10...51F. ISSN 0021-9606. doi:10.1063/1.1723621.
  14. ↑ Banani, Salman F.; Lee, Harry O.; Hyman, Anthony A.; Rosen, Michael K. (5 de mayo de 2017). «Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry». Nature Reviews Molecular Cell Biology 18 (5): 285-298. PMC 7434221. PMID 28225081. doi:10.1038/nrm.2017.7.
  15. ↑ Shin, Yongdae; Brangwynne, Clifford P. (1 de mayo de 2017). «Phase Separation in Biology and Disease». Journal of Molecular Biology 429 (15): 2281-2290. ISSN 0022-2836. PMID 28431918. doi:10.1016/j.jmb.2017.04.006.
  16. ↑ Pobell, Frank (2007). Matter and methods at low temperatures (3rd rev. and expanded edición). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-46356-6. OCLC 122268227.
  17. ↑ Carlson, J.; Reddy, Sanjay (2 de agosto de 2005). «Asymmetric Two-Component Fermion Systems in Strong Coupling». Physical Review Letters 95 (6). Bibcode:2005PhRvL..95f0401C. PMID 16090928. arXiv:cond-mat/0503256. doi:10.1103/PhysRevLett.95.060401.
  18. ↑ Shin, Y.; Zwierlein, M. W.; Schunck, C. H.; Schirotzek, A.; Ketterle, W. (18 de julio de 2006). «Observation of Phase Separation in a Strongly Interacting Imbalanced Fermi Gas». Physical Review Letters 97 (3). Bibcode:2006PhRvL..97c0401S. PMID 16907486. arXiv:cond-mat/0606432. doi:10.1103/PhysRevLett.97.030401.
  19. ↑ Zwierlein, Martin W.; Schirotzek, André; Schunck, Christian H.; Ketterle, Wolfgang (27 de enero de 2006). «Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations». Science (en inglés) 311 (5760): 492-496. Bibcode:2006Sci...311..492Z. ISSN 0036-8075. PMID 16373535. arXiv:cond-mat/0511197. doi:10.1126/science.1122318.
  20. ↑ Kopyciński, Jakub; Pudelko, Wojciech R.; Wlazłowski, Gabriel (23 de noviembre de 2021). «Vortex lattice in spin-imbalanced unitary Fermi gas». Physical Review A 104 (5). Bibcode:2021PhRvA.104e3322K. arXiv:2109.00427. doi:10.1103/PhysRevA.104.053322.
  21. ↑ McClements, David Julian (2015). Food Emulsions: Principles, Practices, and Techniques (3rd edición). CRC Press. ISBN 978-1-4822-1067-6 |isbn= incorrecto (ayuda).
  22. ↑ Thuresson, Krister; Frostenberg, Mikael (1 de junio de 2008). «Phase separation in pharmaceutical formulations». Journal of Pharmacy and Pharmacology 60 (6): 677-688. ISSN 0022-3573. PMID 18498784. doi:10.1211/jpp.60.6.0001.
  23. ↑ Soare, V.; Stănică, N. (1 de enero de 2010). «Spinodal decomposition in materials science». Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 12 (1): 1-8.
  24. ↑ Alberti, Simon; Hyman, Anthony A. (1 de julio de 2021). «Liquid-liquid phase separation in biotechnology». Nature Reviews Bioengineering 1: 1-14. PMID 34870210. doi:10.1038/s44222-021-00002-3.
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