Koloideak: zer, non eta zertarako

Oso partikula txikiak dira koloideak, 10-9-10-6 m bitartekoak; hau da, odolean dauden hemoglobina-molekulak bezain txikiak edo esnea osatzen duten koipe-tantak bezain ‘handiak’. Koloideek egunero horren sarri erabiltzen ditugun hainbat kosmetiko, detergente, sendagai eta janari osatzen dituzte. XXI. mendean, kimikaren erronka nagusietariko bat koloideen ezaugarriak ondo ulertzea izango da.

Koloide naturalak.

Zertan dira berdinak izozkiak, zementoa, kea, garagardoa, behelainoa eta pestizidak? Horiek eta egunero erabiltzen ditugun hainbat produktu kimiko koloideak dira. Koloide guztiak medium homogeneo batez eta bertan sakabanaturik edo dispertsaturik dauden partikula txikiez osaturik daude. Edozeinek ezagutzen dituen beste koloide batzuk gurina, odola eta papera dira.

Koloideen zientziak mikrometroetatik (1 mm = 10-6 m) nanometroetara (1 nm = 10-9 m) bitarteko dimentsiodun sistema kimikoak aztertzen ditu, hau da, partikula erantsi txikienetatik atomo edo molekula handienetara arteko entitate kimikoak.

Nahiz eta, oro har, kimikarekin eta kimika fisikoarekin zerikusi handia izan, koloideen zientzia diziplina anitzen arteko ikerkuntza da. Sarri, koloideak oso konplexuak izaten dira, eta beraien ezaugarriak ondo ulertzeko egiten diren azterketak maiz ez dira izaten zientzialariek nahi luketen bezain zehatzak. Beharbada, sistema konplexua izatea eta alor desberdinetako zientzia izatea, urte askotan eta oraindik ere bai, eskola eta unibertsitaterik gehienetan erakutsi ez izanaren errudun dira.

Mota eta neurri desberdinetako koloideak

W. Ostwald XX. mendearen hasieran Nobel saria irabazi zuen zientzialariari zor zaio koloideen lehen sailkapen zehatza. Lehen aldiz, koloide guztiak dispertsio moduan finkatu ziren, eta zientzialari errusiar-alemaniarrak neurriaren arabera sailkatzea erabaki zuen. Bere ustez, dispertsioak hiru talde handitan sailka daitezke: 10-7 m baino handiagoak diren partikula eta agregatuak, lokatza adibidez; 10-7-10-9 m bitarteko koloide-dispertsioak; eta 10-9 m baino txikiagoak diren molekula-dispertsioak.

Tolueno-tantaxkak uretan. Barra = 14 mm. (Argazkia: I. Aranberri).

Gaur egun, 2x10-7-5x10-7 m-ko neurria duten sistemak ere koloidetzat jotzen dira. Beraz, aurreko mendearen hasieran erabaki zen bezala, koloideak ur-, hidrogeno- edo azukre-molekulak baino handiagoak dira, baina odol zelulak eta bakterioak baino txikiagoak.

Staundiger Nobel saridunak, berriz, neurriaren arabera egin beharrean, koloideen atomo-kopurua izan zuen kontuan sailkatzerakoan. Staundigerren ustez, koloide-partikula batek gutxienez mila atomo eduki beharko lituzke. Ur-molekula batek hiru atomo ditu eta, noski, ez da koloidea. Kana-landareak ematen duen azukre-molekula batek 45 atomo ditu, eta hori ere ez da ez koloidea.

Mila atomo dituen molekula organiko baten pisu molekularra 10.000 g/mol ingurukoa izaten da, eta atomo horiek esfera baten inguruan jarriko balira, 0,5-2 nm-ko partikula bat osatuko lukete. Staundigerren arabera, beraz, koloideek 103 -109 atomo izan beharko lukete.

Koloide garrantzitsuenak: emultsioak

1. marrazkia. Surfaktantez inguraturiko olio- tanta uretan. Surfaktanteen burua hidrofiloa denez, uretara begira daude; buztanak, ordea, olioari begira.

Hasieran ikusi dugun bezala, koloideak era askotakoak izan daitezke. Beharbada, industrian gehien erabiltzen direnak emultsioak dira. Emultsiorik gabeko gizartea imajinaezina izango litzateke gaur egun: sendagai asko, asfaltoa, gurina, hortzetako pasta, gorputzean ematen ditugun kremak, nekazaritzako produktuak eta abar emultsioak dira. Talde handia denez, emultsioen ezaugarri fisiko-kimikoak ulertzeak garrantzi handia du eguneroko bizitzarako.

Emultsioak bi likido disolbagaitzen arteko dispertsioak dira, termodinamikoki ezegonkorrak. Gehienetan bi likidoetako bat ura izaten da, eta bestea uretan disolbagarria ez den beste edozein, orokorrean olio hitzaz definituko duguna. Emultsioak, beraz, bi modutakoak izan daitezke: uretan dispertsaturiko olio-tantak (o/u, esnea adibidez) ala oliotan dispertsaturiko ur-tantak (u/o, gurina adibidez). Bai o/u eta bai u/o emultsio-tantaxken diametroa 5-10 mm ingurukoa izaten da. Eguneroko bizitzan o/u emultsioak ditugu nagusi, eta horien berri emango dugu.

Bi likidoak disolbagaitzak direnez, emultsio-eragileren bat behar dugu emultsio-tantak lortzeko, surfaktanteak alegia (ingelesez SURface ACTive AgeNT). Surfaktanteak molekula anfilikoak dira, hau da, urarekin lotu nahi duen buru hidrofilo batek eta olioarekin lotu nahi duen buztan hidrofobo batek osatzen dituzte. Beraz, buztan hidrofoboak olio-tantara begira jartzen dira, eta buru hidrofiloak uretara begira (ikus 1. marrazkia). Horrela, egitura berezi horri esker, surfaktanteek gainazal-tentsioa murriztu eta tantak inguratzeko abilezia daukate. Surfaktanterik gabeko ur-olio nahasketetan, gainazal-tentsioa oso altua da eta, denbora oso laburrean, olio-tantek bat egin eta bi fase guztiz desberdin geratuko lirateke. Orokorrean, erabiltzen diren olioak ura baino arinagoak direnez, olio-fasea gorantz joango litzateke eta goialdean olio-geruza ikusiko genuke.

SEMez eginiko argazkia. Ur-tantak ziklohexanotan eta 0,2 mm-ko poliestireno-partikulaz emultsionatua. Tantaxken diametroa 1 mm ingurukoa da. (Argazkia: Dr. B.P. Binks, M.Kirkland, Surfactant & Colloid Group, University of Hull, UK).

Aurretik esan dugun bezala, dispertsio hauek termodinamikoki ezegonkorrak dira; hau da, olioa, ura eta surfaktanteak batera jartzen direnean, olio-tantak ez dira berez sortzen. Horretarako, energiaz hornitu behar da sistema. Energia horren helburua olio-bolumen unitateko olio-ur faseartea handitzea da. Zenbat eta tanta gehiago egin, hainbat eta txikiagoak izango lirateke; ur-olio faseartea gehitu eta emultsio egonkorragoa lortuko genuke. Tantaxkak sortzeko energia-iturririk aukerakoena irabiagailua, edo antzeko tresna bat, da. Beraz, olio, ur eta surfaktante egokiak aukeratuz eta beharrezko energia erabiliz emultsio bat prestatzeko gai izango ginateke.

Koloideen zientziaren etorkizuna

Ur-tanta bat oktanotan dispertsaturik eta poliestirenoz emultsionatuta. Ur-tantaren erradioa 250 mm-koa da, eta partikulena 2,5 mm-koa. Partikulen arteko distantzia 7 mm-koa da. (Argazkia: Tomy Horozov, Surfactant & Colloid Group, University of Hull, UK).

Tamaina eta itxura desberdineko koloideak daude naturan; izan ere, koloideak ez dira partikulak txikiak bakarrik; estruktura molekular eta talde funtzional desberdinak dituzten entitate kimikoak ere badira. Koloide-sistemak molekula arruntez konpondu ezin diren arazoen irtenbidea aurkitzeko gai direla ere frogatu da. Printzipio hori ez da berria, naturak milioka urtetan erabili baitu. Adibiderik harrigarrienetariko bat gure ilearen estruktura da: keratina-molekulak maila desberdinetan eransten dira ilea guztiz osatu arte. Naturak eginiko zuntzak gizakiak egiten dituenekin alderatuz gero, lehenengoek askoz ere propietate hobeak azaltzen dituzte. Beste adibide adierazgarri bat gure azala da. Nahiz eta estruktura oso jakinekoa izan (ura, kolagenoa eta azidoren bat), horren gogorra, elastikoa eta leuna den material sintetikorik ez da orain arte aurkitu.

Adituak ikerketa asko egiten ari dira azalaren edo gorputzeko beste ehunen moduko polimeroz eta koloidez osaturiko material-konpositeak sintetizatzeari buruz. Argi dago oraindik ere lan asko dagoela egiteko eta, dudarik gabe, XXI. mendean gehien garatuko den zientziaren adarretako bat koloideen kimika izango dela.

Nabarmentzeko moduko datu historikoak Koloideen erabilera lehendabiziko zibilizazioak bezain zaharra da. Margotzeko tinta lortzeko, adibidez, uretan egindako karbono beltzeko dispertsioei akazia zuhaitzaren goma naturala edo arrautza-zuringoaren albumina gehitzen zieten egiptoarrek. Urre-esekidurak, berriz, ezagunak zitzaizkien Erdi Aroko alkimistei, bizitzako elixir gisa edaten baitzituzten. Koloide-dispertsioen likatasuna bere izena daraman ekuazioaz azaltzea lortu zuen Einsteinek. F. Selmi (1843) izan zen koloideak sistematikoki aztertu zituen lehen ikertzailea. Nahiz eta sufre-partikulekin eta kaseina esne-proteinekin disoluzioak egiten saiatu, behin eta berriz partikula txikiz osaturiko esekidurak ageri zitzaizkion. Koloideen ezaugarri nagusiak ikertzeko lehendabiziko esperimentuak Graham zientzialari ingelesak egin zituen 1861ean. Alde batetik, gatz-ioi eta azukre-molekula txikiak azkar mugitzen zirela konturatzeaz gainera, uretan jarritako mintz bat erraz pasa zezaketela ohartu zen. Bestalde, albuminak eta gelatinak oso astiro mugitzen zirela eta neurriz mintzaren zuloak baino handiagoak zirela aurkitu zuen. “Koloide” hitza bere ideia izan zen; kolla-k grezieraz kola esan nahi du eta koloideek kolak bezala jokatzen zutela ohartu zen. Aurrenengo esperimentu horien ondorioz, lehen aldiz, koloideak neurriaren arabera sailkatzen hasi ziren. Beharbada, lehen behaketa garrantzitsuenak M. Faraday-k egin zituen 1857. urtean. Zientzialari britainiar horrek, urte askotan, koloideen ezaugarri optikoak ikertzea izan zuen helburu, eta gehien landu zituen soluzioak urre-partikulenak izan ziren. Argi-izpi bati urre-soluzio bat zeharkarazi ondoren, alde batetik begiratuta, soluzioa zurixka zen. Behaketa hura kontuan harturik, Faradayk azkar antzeman zuen urre-partikulek, gainerako koloide guztiek bezalaxe, argia dispertsatzen zutela. Horra hor koloideen eta gatz-ioien (Na+, Cl-) arteko beste desberdintasun bat; ioiek ez dute argia dispertsatzen, koloideek, ordea, bai. XX. mendearen hasieran, zientzialari askok jarraitu zuten koloideak aztertzen, eta denen artean, beharbada, ezagunena A. Einstein da. Zientzialari aleman horrek, beste gauza askoren artean, koloideen neurria, browndar higidura eta erreologia ikertu zituen. Batez ere, azken horretan egin zituen ahaleginik nabarmenenak, eta koloide-dispertsioen likatasuna bere izena daraman ekuazioaz azaltzea lortu zuen. Aurreko mendearen erdialdean, koloideen tamaina eta pisu molekularrak aztertzeko lehen teknikak garatu ziren. Horrez gainera, koloide-dispertsioen likatasuna, X izpien analisia, elektroforesia eta beste hainbat ezaugarri fisiko-kimiko aztertzeko teknikak ere asmatu zituzten. Beharbada, koloideak ongi ezagutzen direnetik, asmakizun handienetariko bat mikroskopio elektronikoa izan da. Lehenengoa 1932-1940 bitartean garatu zen eta alemaniarrak, britainiarrak eta iparramerikarrak izan ziren aitzindari.

Koloideen garrantzia industrian eta gizartean Gaur egun, koloideen zientziak izugarrizko garrantzia dauka edozein aplikaziotan. Petrolio-industrian, botiketan, esnekietan, pinturetan eta abarretan erabiltzen diren produkzio-bideetan, koloideen kimika ongi ulertzea derrigorrezko lana da. Koloideen arlorik garrantzitsuenetariko bat elikagaien kimika da. Koloidez osaturiko dozenaka jaki daude; esnea, gurina, gazta, era guztietako saltsak, maionesa eta izozkiak adibidez. Unilever enpresa britainiar-herbeheretarrak, esaterako, 500 milioi litro izozki saltzen ditu urtero. Egunero erabiltzen ditugun produktu asko eta asko koloideak dira. Koloideen ezaugarriek zerikusi handia dute ehungintzan ere. Ehunen gainazal-kimika eta bustitasuna zeharo garrantzitsuak dira tindatze-prozesuetan. Argazkigintzan, inprimagailuetan eta zeramikan ere koloideak nagusi ditugu. Bi adibide garrantzitsu nekazaritzako produktuetan eta medikuntzan ageri dira. Lehenengoan, lurraren emankortasuna koloide-ugaritasunari lotua dago. Zenbat eta buztin eta humus gehiago eduki lurrak, are ur gehiagori eutsiko dio eta, beraz, landareek elikagai gehiago izango dituzte. Koloideak erabili beharrean, partikula handiagoak edo erantsiak erabiliko balira, lurrak ez lioke urari horren erraz eutsiko eta azkar lehortuko litzateke. Bestalde, gatz ez-organikoak erabiliko bagenitu, lurrean barreneraino sartuko lirateke eta landareek ez lukete zurrupatzeko aukerarik izango. Beste adibide asko biologian aurki ditzakegu. Odola koloide-soluzio konplexua da. Gure azalak, muskuluek eta gorputzeko hainbat muskulu-ehunek gel moduko estrukturak dituzte, koloidez osatuak. Beharbada, edozein animaliaren gorputzean aurki ditzakegun molekularik garrantzitsuenak proteinak dira, eta horiek, gaur egun jakina denez, koloideen ezaugarri guztiak betetzen dituzte soluzioetan. Gorputzean dauzkagun proteinen forma guztiz erabakigarria dela frogatu da azken urteotan. Azalaren kolagenoak eta hezurrak, adibidez, molekula eraikitzaileak dira eta forma luzekina daukate. Odolean eta esnean dauden proteinek, berriz, forma globularra daukate. Argi dago molekula luzekinak estruktura handiagoak eraikitzeko daudela; izan ere, fluido mugikorretan aurkituko balira, odolean adibidez, erraz itxiko lukete edozein kapilar.

BIBLIOGRAFIA

• Kaoru Tsujii
  Surface Activity, Principles, Phenomena and Applications. Academic Press (1998).
  
• Eric Dickinson
  An Introduction to Food Colloids. Oxford Science Publications (1992).
  
• D. J. Shaw
  Introduction to Colloid and Surface Chemistry. 4th Ed, Butterworth-Heinemann Ltd (1992).