ULTRACENTRIFUGAZIONE
ULTRACENTRIFUGAZIONE
. Operazione fondata sugli stessi principî fondamentali della centrifugazione (IX, p. 751) ma che avviene a velocità di rotazione estremamente elevate, allo scopo di provocare la sedimentazione di particelle assai più piccole e meno dense di quelle ordinariamente separate nella centrifugazione industriale. La velocità e il risultato finale della sedimentazione stessa sono oggetto di misura per poter risalire p. es. al peso molecolare, ecc.
Ricordiamo che la forza centrifuga agente su una particella di volume V e densità d sospesa in un liquido di densità dv rotante con velocità angolare ω, vale:
dove x è la distanza della particella dall'asse di rotazione. È chiaro che se la forza centrifuga predetta deve essere aumentata, questo si otterrà più facilmente ricorrendo ad una più veloce rotazione (perché la forza cresce col quadrato di ω) anziché aumentando le dimensioni del recipiente rotante. Finora è stato persino necessario di ridurrele dimensioni di detto recipiente (nelle ultracentrifughe) per evitare l'incremento delle sollecitazioni meccaniche oltre limiti costruttivamente non sopportabili. Queste ed altre esigenze hanno imposto finora per l'ultracentrifuga particolari forme pratiche e ristrette dimensioni.
Nell'ultracentrifuga veloce della quale si fa oggi uso normale in certi laboratorî, si raggiungono velocità di rotazione dell'ordine di 60.000 giri al minuto e più e campi centrifughi di oltre un milione di volte quelli della gravità. Però i rotori delle ultracentrifughe conservano, per le ragioni dette, un diametro modesto (100-180 mm.) e piccola capacità.
L'ultracentrifuga è importante strumento per lo studio di colloidi e in genere di sostanze ad alto peso molecolare (proteine animali e vegetali, alti polimeri) e per studî di colture microbiche e di virus.
La ricerca può essere portata nel campo della sedimentazione di equilibrio contemplando appunto, in un primo modo assai elementare di vedere il fenomeno, l'equilibrio tra forza centrifuga e diffusione; questa, per un elementino" di liquido occupante un'area unitaria di dimensioni radiali dx vale (v. sopra):
dove c è la concentrazione in gr. di soluto per cm3.
Ad equilibrio raggiunto detta forza centrifuga eguaglia la pressione osmotica la quale vale
dove RT è il solito 2° membro dell'equazione di stato con M peso molecolare.
Uguagliando ne risulta per M l'espressione
la quale ci dà modo di dedurre il peso molecolare M in base alla rilevazione della concentrazione c eseguita a diverse distanze x dall'asse di rotazione, ad equilibrio raggiunto.
Oltre a questo metodo, che ha lo svantaggio della lentezza perché impone di attendere fino allo stabilirsi dell'equilibrio, si applica anche il criterio della velocità di sedimentazione che dà luogo ad una formula analoga in cui entra evidentemente il tempo t fra due rilevazioni:
con D coefficiente di diffusione.
Sono stati sviluppati assetti teorici meno elementari di tali calcoli che possono tener conto dell'influenza del moto browniano, delle cariche ioniche, ecc.
Le misure delle concentrazioni possono essere eseguite visualmente al microscopio oppure con microfotografie applicando metodi colorimetrici, refrattometrici, ecc. Talora l'azionamento dell'apparecchiatura microfotografica è governata da un dispositivo automatico. Una delle maggiori difficoltà nell'applicazione dell'ultracentrifuga è costituita dalle correnti convettive di origine termica, dovute per es. all'attrito del rotore metallico con l'atmosfera in cui ruota, in quanto dette correnti disturbano evidentemente le sedimentazioni. Perciò i rotori delle ultracentrifughe si fanno girare in atmosfera rarefatta, talora di idrogeno.
Uno dei problemi principali nella costruzione delle ultracentrifughe è quello della trasmissione del moto al rotore. Nel campo delle velocità di rotazione alte cessa la possibilità di applicare quelle trasmissioni a cinghia o ad ingranaggi che si hanno anche nel tipo Sharples (v. IX, p. 752). Fino a 20.000 giri circa, il comando può essere diretto con motore elettrico, per es. a corrente alternata ad alta frequenza. Per velocità più alte il rotore dell'ultracentrifuga è coassiale con quello di una piccolissima turbina ad olio o ad aria.
La figura riporta lo schema di un'ultracentrifuga azionata da turbina ad aria per velocità dell'ordine di 60.000 giri al 1′; in sede di tentativo e con rotori minuscoli si ebbero però anche velocità di 1.000.000 di giri al 1′. Il rotore è di acciaio al cromo-nichel; la forma tendenzialmente ellittica è risultata migliore di quella cilindrica circolare ai fini della resistenza meccanica; esso gira in atmosfera di idrogeno rarefatto a 15.10-3 mm. Hg.
In tipi di centrifuga più recenti le tenute si sono semplificate mediante la sostituzione del passante in olio con guarnizioni di neoprene. Le turbine sono due; una per la marcia avanti (tempo di accelerazione 10-12 minuti) l'altra per la frenatura (che partendo da 60.000 giri richiede 20′). Il campo centrifugo è dell'ordine di 200-300.000 volte la gravità. In prove con altri tipi si sono raggiunti campi dell'ordine di 1.000.000 g.
Bibl.: T. The Svedberg, K. Petersen, The ultracentrifuge, Oxford 1940; W. K. Lewis, L. Squires, G. Broughton, Industrial chemistry of colloidal amorphous materials, New York 1943, p. 106 segg.