Teoria DLVO: attrazione e repulsione tra colloidi

Perché due particelle colloidali, urtandosi di continuo per agitazione termica, a volte si incollano irreversibilmente e a volte rimbalzano restando disperse? La risposta sta nel bilancio di due forze opposte che agiscono quando le superfici si avvicinano. La teoria DLVO mette in conto questo bilancio e spiega, con una sola curva di energia, la stabilità o l’instabilità di un colloide liofobo.

Vediamo da dove prende il nome la teoria DLVO, quali sono le due forze in gioco, come si legge la curva di energia con la sua barriera e i suoi minimi, e cosa decide la stabilità del sistema.

Le due forze del bilancio DLVO

La teoria DLVO (dal nome di Derjaguin, Landau, Verwey e Overbeek) descrive l’interazione tra due particelle come la somma di due contributi di energia potenziale, funzione della distanza h tra le superfici: un’attrazione di van der Waals, sempre presente, e una repulsione elettrostatica dovuta alla sovrapposizione dei doppi strati elettrici che circondano le particelle cariche.

V_tot(h) = V_vdW(h) + V_el(h)  ·  attrazione + repulsione

L’attrazione di van der Waals tra due corpi macroscopici è di natura diversa da quella tra singole molecole: nasce dalla somma di tutte le interazioni dipolo-dipolo istantanee, decade più lentamente con la distanza e dipende dalla geometria e dal materiale. La sua intensità è racchiusa in un parametro caratteristico, la costante di Hamaker, che descrive l’attrazione tra due particelle dello stesso materiale attraverso il mezzo (per esempio l’acqua). La repulsione, invece, compare solo quando i due doppi strati cominciano a compenetrarsi, e la sua portata dipende dalla concentrazione di elettrolita.

La costante di Hamaker

La costante di Hamaker quantifica quanto è forte l’attrazione di van der Waals per una data coppia di materiali in un dato mezzo. Per molte sostanze condensate cade nell’ordine di grandezza delle frazioni di 10⁻²⁰ J, ed è tanto più piccola quanto più la particella e il mezzo si assomigliano otticamente: due particelle molto simili al solvente si attraggono poco. Questo spiega perché disperdere particelle in un mezzo con proprietà ottiche vicine alle loro ne attenua naturalmente la tendenza ad aggregarsi.

Come si legge la curva di energia

Sommando attrazione e repulsione si ottiene la curva caratteristica della teoria DLVO, da leggere muovendosi da destra (particelle lontane) verso sinistra (contatto). A grande distanza l’energia è quasi nulla. Avvicinandosi compaiono tre regioni chiave:

Cosa decide la stabilità

Tutto ciò che abbassa la barriera destabilizza il colloide. Aggiungere elettrolita comprime il doppio strato e riduce la portata e l’altezza della repulsione: oltre una certa concentrazione la barriera scompare e il sistema coagula. Avvicinare il pH al punto in cui la particella perde carica fa lo stesso. Al contrario, aumentare la carica superficiale o ridurre l’elettrolita alza la barriera e stabilizza. È questo il legame diretto tra la teoria DLVO e i parametri pratici — carica, potenziale zeta, forza ionica — che si controllano in formulazione. Il dettaglio del doppio strato e del potenziale zeta è trattato nel pilastro dedicato.

I limiti della teoria DLVO

La DLVO è straordinariamente efficace, ma resta un modello. A distanze molto piccole entrano in gioco forze non comprese nel bilancio originale: forze di idratazione (l’acqua strutturata vicino alla superficie respinge ulteriormente), forze steriche dovute a strati adsorbiti, forze di deplezione. Per i colloidi stabilizzati da polimeri, in particolare, la repulsione non è elettrostatica ma sterica, e va trattata a parte, come nell’articolo dedicato alla stabilizzazione sterica.

Perché conta nella pratica

La teoria DLVO è la cassetta degli attrezzi mentale di chiunque formuli o gestisca dispersioni. Spiega perché una vernice resta omogenea o sedimenta, perché un fango ceramico si addensa, perché un’aggiunta di sale fa precipitare un sol. Saper leggere la curva di energia — dove sta la barriera, quanto è alta, dove cadono i minimi — permette di prevedere come reagirà un sistema a un cambio di pH, di forza ionica o di concentrazione, e quindi di progettare formulazioni stabili o, al contrario, di indurre la separazione quando serve, come nel trattamento delle acque.

Domande frequenti

Che cosa descrive la teoria DLVO?

Descrive la stabilità dei colloidi liofobi come bilancio tra due forze che agiscono tra le particelle: l’attrazione di van der Waals, sempre presente, e la repulsione elettrostatica dovuta alla sovrapposizione dei doppi strati elettrici. La somma dei due contributi in funzione della distanza dà la curva di energia che spiega se le particelle si aggregano o restano disperse.

Che cos’è la costante di Hamaker?

È un parametro che misura l’intensità dell’attrazione di van der Waals tra due corpi di un dato materiale attraverso un mezzo, tipicamente nell’ordine di 10⁻²⁰ joule. È tanto più piccola quanto più le proprietà ottiche della particella e del mezzo si somigliano: due materiali simili al solvente si attraggono poco, e questo aiuta a stabilizzare il colloide.

Cosa sono il minimo primario e il minimo secondario?

Sono i due minimi della curva di energia DLVO. Il minimo primario, profondo e a contatto, corrisponde all’aggregazione irreversibile (coagulazione). Il minimo secondario, poco profondo e a distanza maggiore, corrisponde a un’aggregazione debole e reversibile (flocculazione). Tra i due c’è la barriera energetica che protegge la dispersione.

Da cosa dipende la stabilità di un colloide secondo la DLVO?

Dall’altezza della barriera energetica, misurata rispetto all’energia termica. Se la barriera supera grosso modo 15-20 volte l’energia termica, gli urti tra particelle non riescono a valicarla e il colloide resta stabile. Aggiungere elettrolita o avvicinare il pH al punto di carica nulla abbassa la barriera e provoca la coagulazione.

La teoria DLVO spiega tutta la stabilità colloidale?

No. È molto efficace per i colloidi stabilizzati elettrostaticamente, ma non comprende le forze di idratazione, steriche e di deplezione che diventano importanti a distanze piccole o in presenza di polimeri adsorbiti. I colloidi stabilizzati da catene polimeriche, in particolare, vanno trattati con la stabilizzazione sterica, oltre il modello DLVO classico.