FISICA DE COLOIDES

Autor: VALLE DELGADO JUAN JOSÉ.
Año: 2003.
Universidad: GRANADA.
Centro de lectura: FACULTAD DE CIENCIAS.
Centro de realización: FACULTAD DE CIENCIAS.

Resumen: Desde la Astrofísica (cuyo objeto de estudio son las estrellas, galaxias y constelaciones) hasta la Física de Partículas o de Altas Energías (donde electrones, protones, neutrones y además partículas elementales son el blanco de las investigaciones), la Física puede dividirse en muy distintos campos. Uno de esos campos es el de la Física Coloidal, encargada del estudio de partículas que están a medio camino entre el mundo microscópico y el macroscópico, con tamaños comprendidos entre unos pocos nanómetros y varias micras. Las dispersiones de estas partículas en un medio reciben el nombre de coloides. En el caso en el que el medio de dispersión es un líquido (normalmente agua) se habla de dispersión o disolución coloidal. Pinturas, lacas, aerosoles, dispersiones alimentarias (mayonesas, mantequillas, helados, leche, etc.), tintas, fluidos biológicos como la sangre, productos farmacéuticos y cosméticos son sólo algunos ejemplos de dispersión coloidales. El estudio de las interacciones entre partículas coloidales y el análisis de la dependencia de esas interacciones con las características de las partículas (tamaño, naturaleza, densidad superficial de carga) y las condiciones del medio (temperatura, pH, presencia de sal y/u otras partículas, aplicación de un campo externo -gravitatorio, eléctrico o magnético, etc.) son algunos de los objetivos principales de Física Coloidal. Dichas interacciones pueden ser repulsivas, manteniendo a las partículas coloidales como entidades individuales en la disolución (se dice entonces que la dispersión coloidas es estable), o bien pueden ser atractivas, favoreciendo la agregación de dichas partículas (hablándose entonces de inestabilidad de la dispersión coloidal). El estudio de los fenómenos de agregación o de estabilización coloidal no sólo es importante para aumentar y mejorar nuestro bagaje intelectual (desde el punto de vista de la ciencia básica), sino porque además existen multitud de aplicaciones prácticas de dichos fenómenos: recubrimiento de superficies, purificación de aguas residuales, extracción de petróleo, separación de minerales, sedimentación, adsorción sobre superficies, son algunos ejemplos entre otros muchos. Se pueden distinguir distintos tipos de interacciones entre superficies o partículas coloidales: repulsión de dobles capas eléctricas, fuerzas de van der Waals, fuerzas estéricas, fuerzas hidrófobas, fuerzas de hidratación, etc. El presente trabajo tiene como objetivo principal el estudio de las interacciones entre sistemas hidrófilos de muy distinta naturaleza (látex anfótero, silíce, proteínas), prestando especial atención a las posibles fuerzas de hidratación presentes en los mismos. Estas fuerzas son interacciones repulsivas de corto alcance (inferior a 3 ó 4 nm) que decaen exponencialmente con la distancia de separación entre las superficies. Tradicionalmente se asocian a la formación de una capa de agua fuertemente enlazada a las superficies o a la presencia de iones muy hidratados en torno a las mismas. Así, mediante técnicas de sipersión de luz se ha estudiado la estabilidad coloidal de un látex anfótero que presenta idénticos grupos superficiales (Carboxilos y aminos) a los de la proteínas. Este látexo podría utilizarse como sistema modelo para comprender mejor la estabilidad y el comportamiento de las proteínas a diferentes condiciones d epH y concentraciones de sal. Los llamativos resultados obtenidos, especialmente en lo que respecta a la estabilidad en determinadas condiciones del medio de disolución, da lugar a una amplia discusión sobre las interacciones que pueden existir entre estas partículas. Pero sin lugar a dudas, la mejor forma de estudiar la interacciones es midiéndolas directamente. La invención y desarrollo en los últimos años de sofisticados dispositivos capaces de medir las fuerzas de interacción entre dos superficies ha provocado una enorme revolución en la Física Coloidal e Interfacial. En este trabajo se describen algunos de estos dispositivos (Característi 8 cas, ven afd tajas, limitaciones, etc.), haciendo especial hincapié en los fundamentos del microscopio de fuerzas atómicas (AFM) y de la técnica de sonda coloidal que permite medir interacciones entre superficies de geometría conocida. Este dispositivo y esta técnica han permitido obtener los resultados experimentales mostrados en este trabajo: interacción en medio acuoso entre superficies de sílice, entre superficies depoliestireno y entre capas de proteínas. En todos los casos se analiza el efecto del pH y de la concentración de sal en el medio, así como el tipo de sal utilizado. Especialmente interesantes es la interacción entre capas de proteínas. La gran repercusión que puede tener sobre distintos campos de la ciencia, la industria y la tecnología el conocimiento de la interacciones entre proteínas convierten a este punto, sin lugar a dudas, en uno d los más interesantes de este trabajo. Por ello, dos proteínas distintas han sido objeto de estudio: la albúmina de suero bovino o BSA y la apoferritina. En el caso d la BSA se ha analizado también el efecto de distintos sustratos de adsorción (sílice y poliestireno). Lo más llamativo de los resultados obtenidos con proteínas ha sido la medida de una repulsión adicional a altas concentraciones de sal cuando el pH del medio es superior al punto isoeléctrio de las proteínas. Esta repulsión se ha asociado a fuerzas de hidratación por la presencia de iones muy hidratados en torno a las superficies proteicas. Se comentan también las importantes consecuencias que pueden tener estas interacciones en la estabilidad de estas biomoléculas en los sistemas biológicos y su posible aplicación, por ejemplo, en la estabilización de test de inmunodiagnóstico. El último capítulo de este trabajo se reserva a un análisis sobre el origen de las fuerzas de hidratación. Distintas teorías surgidas en los últimos treinta años son contrastadas con resultados experimentales de interacción entre superficies de sílice, llegándose a ciertas conclusiones interesantes. Podemos terminar este resumen resaltando la utilidad del AFM como herramientas para la medida de interacciones entre moléculas biológicas (proteínas). La enorme potencialidad y el continuo desarrollo de este dispositivo auguran un futuro muy prometedor tanto al AFM como a la investigación científica en campos tales como Ciencia de Superficies, Ingeniería de Materiales, Biología, Medicina, etc.

Autor: BARBOSA FERNÁNDEZ SILVIA.
Año: 2004.
Universidad: SANTIAGO DE COMPOSTELA.
Centro de lectura: FACULTAD DE FÍSICA.
Centro de realización: FACULTAD DE FÍSICA.

Resumen: La presente Tesis Doctoral ha sido realizada en el Laboratorio de Física de Coloides y Polímeros del Grupo de Sistemas Complejos del,Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Santiago de Compostela. Los resultados obtenidos en esta Tesis se pueden dividir en dos partes claramente diferenciadas: La primera parte, es una continuación de la línea de investigación iniciada hace unos años por nuestro grupo de investigación. Esta línea se comenzó con el estudio termodinámico de la formación de agregados de sustancias anfifílicas con aplícaciones farmaceúticas, para después pasar al estudio de la interacción de polímeros naturales con moléculas anfifílicas: fármacos y tensioactivos, parte de cuyos resultados se presentan en la memoria de la Tesis. La interacción entre protínas globulares y sustancias anfifílicas ha sido objero de estuio durante más de cincuenta años. Estas interacciones dan lugar a la formación de complejos entre las moléculas de proteína y las de sustancia anfifílica. La importaf)cia de este tipo de investigaciones tiene su origen en que la acción de muchos agentes antímicrobianos depende de su habilidad para interactuar con las proteínas. La afinidad de éstas por el agente y, por tanto, su poder terapeútico, está relacionaado con las interacciones hidrófilas-hidrófobas en la molécula, y este carácter es el principal responsable de sus interacciones con proteínas. Por otra parte, las condiciones físicas a las que se debe almacenar un medicamento, así como las dosis de administración in vivo dependen de sus característícas de agregación. Para que su acción farmacológica sea eficarz, una vez administrado debe interactuar con biomoléculas. Así, muchos fármacos, particularmente aquellos con efectos anestésicos, tranquilizante, antidepresivos o antibióticos, ejercen su acción mediante interacciones con membrans biológicas. Sin embargo, estos compuestos deben ser transportados hasta su lugar de acción y, normalmente, tal función es desarrollada por las proteínas del plasma sanguíneo, principalmente la seroalbúmina humana. Por ello, es necesario un conocimento de las interacciones entre las proteínas del plasma sanguíneo y los fármacos de estructura anfifílica para determinar la dosis óptima de administración de estos compuestos, que les permitirá ejercer su acción terapeútica. Así, en la primera, que corresponde al Capítulo 3 de la memoria, hemos realizado un estudio termodinámico y de caracterización de los complejos formados por la proteína seroalbúmina humana (HSA) y las penicilinas sintéticas de naturaleza anfifílica cloxacilina y dicloxacilina. Para ello, se han utilizado las siguientes técnicas experimentales: densimetría, velocidades del sonido, tensión superficial, calorimetría y dispersión estática y dinámica de luz. Por otro lado, una condíción necesaria para que cualquier fármaco sea absorbido por una membrana celular es su solubilidad. Existen un gran número de compuestos farmaceúticos cuya solubilidad en agua es nula o no llega a las concentraciones necesarias para su efecto terapeútico. Un mecanismo que presenta un futuro prometedor como medío solubilizador y de transporte de fármacos insolubles o poco solubles son los copolímeros de bloque. Así, la segunda parte de la memoria se centra un una nueva línea de investigación que hemos comenzado recientemente en colaboración con grupos de investígación de las facultades de Química y Farmacia de Manchester: la caracterización de copolímeros de bloque como sistemas de transporte y liberación de fármacos y el estudio de mecanismos de control de su estructura molecular mediante la presencia de aditivos en el sistema. Los copolímeros que hemos analizado son copolímeros de bloque no iónicos for 8 mados po a76 r la uníón mediante enlace tipo éter (C-O-C) de sus bloques, y que pertenecen a la familia de los polioxiranos. Este tipo de copolímeros presentan carácter anfifílico ya que, en ellos, se combinan bloques hidrófilos y bloque hidrófobos. La polimerización secuencial del óxido de etilieno con otros óxidos de alquíleno da lugar a la formación de un amplio rango de copolímeros de bloque con distintas hidrofobicidades y estructuras. Estos copolímeros, al estar formados por bloques hidrófilos e hidrófobos, se asocian en disolución formando agregados micelares. Por ello, en disolucíón acuosa, estos agregados pueden actuar como soporte que facilite la solubilización y transporte de sustancias farmaceuticas insolubles, o muy poco solubles, mediante adsorción o solubilización micelar. Esta segunda parte, que corresponde al Capítulo 4 de la memoria, se inicia con el estudio termodinámíco del copolímero diblque P94E316 donde E y P son los blques hidrófilo de oxieti!eno hidrófobo de oxipropileno, respectivamente y los subíndices sus longitudes medias. Este copolímero ha sido parciamente caracterizado previamente, por lo que el interés de nuestro estudio radica, por una parte, en completar su caracterización mediante un análisís termodinámico de su proceso de asociación y, por otra, facilitar la familiarización con el comporamiento de este tipo de compuestos. Debido a la necesidad de buscar nuevos copolímeros de bloque cuyas propiedades sean óptimas para la solubilización y transporte de fármacos, en el Capítulo 4 también se presenta la caracterización del copolímero tribloque con bloque hidrófobo formado por unidades de éter de fenilglicidilo (G) E65G7E65. SE espera que este blque G sea más hidrófobo que los estudiados hasta el momento y que presente una temperatura de transición vítrea (por encima de esta temperatura el núcleo micelar se mantien móvil) dentro del rango de temperaturas de interés para la solubilización de fármacos, es decir, en torno a 37°C. Además, el estudio de este tipo de copolímeros con blques G presenta el interés adicional de ser un nuevo compuesto del que no hay referncas en la literatura. Las técnicas experimentales empleadas en esta parte fueron, aemás de las utilizadas en la anterior, la inversión de tubo y la reología.

Autor: ESPÍN MILLA MANUEL JESÚS.
Año: 2004.
Universidad: GRANADA.
Centro de lectura: FACULTAD DE CIENCIAS.
Centro de realización: FACULTAD DE CIENCIAS.

Resumen: Este trabajo de investigación recoge el estudio de las propiedades electrorreológicas (ER) de suspensiones coloidales. La aplicación de campos eléctricos (del orden los kV/mm) sobre dispersiones no conductoras provoca un cambio abrupto (un aumento significativo de la viscosidad y la aparición de un esfuerzo umbral) en el comportamiento reológico de estos sistemas: el llamado efecto ER. El origen de este fenómeno reside en las modificaciones que el campo eléctrico induce en la estructura de las suspensiones, de un estado líquido inicial a una configuración cuasi-sólida final. Este transición estructural no sólo afecta a las propiedades mecánicas de los fluidos ER sino también a sus características eléctricas y ópticas que también son estudiadas en este trabajo. El sistema objeto de estudio de este trabajo consistió en partículas de hematies (óxido férrico) en aceite de silicona. La elección de estos materiales se d e bió esencialmente al hecho de que aunque las fase sólida es una material semiconductor, posee una conductividad eléctrica significativamente mayor que la de otros sólidos empleados en la preparación de fluidos ER. Este hecho es de especial relevancia ya que las muestras se verán sometidas a campos eléctricos de elevada magnitud. La tesis se divide en dos grandes bloques. Por un lado, se aborda el estudio de las propiedades ER bajo la acción de campos eléctricos alternos. Se determinaron las propiedades reológicas en función de la intensidad de campo eléctrico y la fracción de volumen de sólidos. El análisis del esfuerzo umbral inducido que manifiestan las muestras demostró que el mecanismo físico responsable de esta respuesta es la polarización interfacial de la muestra. Por este motivo, se realizó un estudio del comportamiento dieléctrico de las suspensiones en función del medio dispersante y la concentración de partículas. Este proceso de relajación depende exclusivamente de las propiedades eléctricas de las fases sólidas y lúqida, que también fueron determinadas. En particular, se prestó especial atención a la obtención de la conductividad de muestras sólidas de hematites. Por último, se aplicó un modelo de microestructura, formación de cadenas de partículas entre los electrodos, para justificar los resultados experimentales obtenidos. La segunda parte de la tesis está dedicada al estudio de las propiedades reológicas, electro-ópticas y estructurales de las suspensiones bajo la acción de campos eléctricos continuos. En primer lugar, se procedió de forma similar al caso anterior, es decir, la determinación de las curvas de esfuerzo de cizalla y viscosidad en estado estacionario. Se observó que, nuevamente, las dispersiones manifestaban un comportamiento plástico fluidificante aunque, en este caso, el análisis del esfuerzo umbral indicó que las fuerzas eléctricas originarias de este fenómeno dependen linealmente con el campo demostrando así que, en el caso de campos eléctricos continuos, la respuesta ER no se debe exclusivamente a la polarización interfacial de las suspensiones sino que otro(s) procesos están involucrados. Para comprender mejor este comportamiento, se analizó, mediante medidas de absorbancia óptica, la acción del campo eléctrico sobre suspensiones de hematites en reposo. Los resultados experimentales demostraron que las propiedades ópticas de las muestras ER son una función compleja de la intensidad de campo eléctrico y la concentración de partículas. El análisis de estos resultados demostró que existe un campo eléctrico crítico que separa dos comportamientos electro-opticos distintos y, consecuentemente, dos procesos estructurales diferentes. Por último, se analizaron también la transición entre el estado inicial de reposo y las condiciones de flujo estacionario, es decir, las propiedades relógicas a muy pequeñas deformaciones. Se comprobó que la intensidad de campo eléctrico (y la fracción de volumen) no 8 sólo af 849 ectan al comportamento plástico de las suspensiones (en condiciones de flujo) sino también al comportamiento elástico y viscoplástico a pequeñas cizallas. Para poder comprender el comportamiento reológico de las suspensiones bajo la acción de campos eléctricos continuos se realizó un análisis estructural de las mismas. En estado de reposo, campos eléctricos de pequeña magnitud dieron lugar a la formación de estructuras de cadenas entre los electrodos, demostrando así que el fenómeno de polarización interfacial predomina bajo estas condiciones experimentales. Sin embargo, para campos eléctricos elevados, son los fenómenos de disociación e inyección de carga de los que predominan y dan lugar a la formación de capas de agregados de partículas sobre los electrodos. Se ha realizado un análisis detallado de la preponderancia de unos de estos dos procesos en función de la conductividad de las partículas y la magnitud del campo eléctrico aplicado. También se ha evaluado el efecto simultáneo de un campo eléctrico y de esfuerzos sobre las suspensiones comprobándose que la aplicación de un esfuerzo de cizalla no sólo origina una ruptura de los agregados de partículas inducidos entre los electrodos sino la formación de estructuras más complejas: estructuras anulares de partículas. Finalmente, este trabajo de investigación también analiza brevemente la corriente eléctrica en los fluidos ER y el efecto de activadores-contaminantes de la respuesta ER.

Autor: López León Teresa.
Año: 2006.
Universidad: GRANADA.
Centro de lectura: FACULTAD DE CIENCIAS (UNIVERSIDAD DE GRANADA).
Centro de realización: FACULTAD DE CIENCIAS (UNIVERSIDAD DE GRANADA).

Resumen: En esta tesis doctoral se estudian fenómenos de especificidad iónica o efectos Hofmeister en sistemas coloidales. A pesar de tratarse de fenómenos universales, el origen de los efectos Hofmeister es un tema de debate y uno de los retos actuales de la Físico-Química. Con el fin de investigar los mecanismos microscópicos que subyacen a estos fenómenos se analizó en primer lugar como los efectos Hofmeister alteran la estabilidad coloidal, movilidad electroforética y cinéticas de los procesos de agregación de sistemas sencillos tipo hard sphere. En una segunda parte se analizaron sistemas más complejos, concretamente partículas termosensibles basadas en PNIPAM. En este caso se estudiaron efectos Hofmeister en las transiciones de fase tanto en volumen como electrocinéticas, estabilidad coloidal y cononsolvencia (en presencia de solventes mixtos etanol/agua) de microgeles de PNIPAM. Además se diseñó y sintetizó un novedoso sistema cuyas propiedades lo hacen idóneo para investigar los mecanismos responsables

Autor: PIÑEIRO REDONDO YOLANDA.
Año: 2006.
Universidad: SANTIAGO DE COMPOSTELA.
Centro de lectura: FACULTAD DE FÍSICA.
Centro de realización: FACULTAD DE FÍSICA.

Resumen: En el presente trabajo, se ha desarrollado un modelo numérico de gel físico a nivel mesoscópico, con un proceso de agregación que sigue las pautas de la gelatina (agregación de tres cadenas diferentes en un punto ). Partiendo de un método de Monte Carlo dinámico en red, para un sistema en fase condensada de cadenas autoexcluyentes con interacción (ISAW) y asociativas, se analizan las propiedades de la transición sol-gel, mediante ciclos de simulación dinámica que siguen una secuencia sucesiva de descenso térmico. El registro continuado de la información configuracional permite acceder para cada temperatura a magnitudes de interés topológico y físico: el número de nodos de la red (equivalente de las triples hélices de la gelatina); el número de segmentos internodales ( variable que determina el valor del módulo elástico de equilibrio ); la distribución del grado nodal ( que permite evaluar el momento térmico de la transiciónde fase heterogénea a homogénea); el grado nodal medio ( relacionado también con la rigidez de la red) ; el tamaño de los poros del gel (mediante el análisis de la distancia euclidea media). Además dado qeu el algortimo de saltos locales implementado es muy local, se puede studiar la dinámica del sistema mediante el análisis de: magnitudes de transporte (desplazamiento cuadrático medio del dentro de masas ), que registra un cambio de régimen en al difusión de normal a anómala; propiedades ópticas, a traves de los factores de estructura estático (se registra la aparición de exceso de dispersión a bajo ángulo en concordancia con la gelatina en fase gel ) y dinámico (que reproduce la apriciónde un decaimiento potencial en la transición sol-gel con características similares a los observados en el ámbito experimental para la gelatina); y propiedades dieléctricas, mediante la relajación del modo normal correspondiente a polímeros de tipo-A ( que consigue reproducir la caida del salto dieléctrico en la transición sol-geld e la geltaiana bajas frecuencias y la eventual supresión del modo para condiciones de gelificación fuertes). El algoritmo de saltos locales implementado, permite la relajación configuracional de los eslabones no asociados y tambien de los eslabones implicados en el nodo (triple hélice de caracter mesoscópico), de manera más parcial. Además dependiendo de la intensidad de interacción impuesta a los eslabones del nodo, este es más o menos reversible, con lo cual la red generada relaja entálpica y entrópicamente. Variando la intensidad relativa de los nodos se obtienen redes de caracter más o menos reversibles.