Physico-chemical properties of polymers at interfaces

by Díez Orrite, Silvia

RESUM Un polímero es una molécula de grandes dimensiones formada de pequeñas unidades llamadas monómeros, los cuales se encuentran unidos por medio de enlaces covalentes. Los polímeros han existido de forma natural desde el comienzo de la vida, y aquellos como el DNA, RNA o las proteínas son algunos de los polímeros más importantes encontrados tanto en la vida animal como en la vegetal. Desde siempre el hombre ha utilizado muchos de estos polímeros como materiales para hacer ropa, decoración, herramientas, etc. Sin embargo, el origen de la industria de polímeros que conocemos hoy en día se produjo en el siglo 19, gracias a importantes descubrimientos dentro de la modificación de ciertos polímeros naturales, como la celulosa. El uso de polímeros sintéticos y naturales como estabilizadores de sistemas coloidales (dispersiones, microemulsiones, etc.) juega en nuestros días un papel importante. Los polímeros utilizados como aditivos, pueden ser aplicados en preconcentraciones y deshidratación de suspensiones dentro de procesos minerales, tratamiento de aguas residuales e incluso los podemos encontrar dentro de la industria farmacéutica y alimentaria, donde su importancia es debida a la procesabilidad y propiedades que ellos exhiben. El trabajo que se presenta es orientado al desarrollo de técnicas de modelización, tanto analíticas como computacionales, y su aplicación en la descripción (por medio de la formación de bucles y colas) de la estructura de la capa de polímeros adsorbida en superficies heterogéneas, siendo dicha capa de polímeros un factor importante en las propiedades que este tipo de materiales presentan. Con este propósito, la metodología conocida como Single Chain Mean Field, utilizada anteriormente tanto para el estudio de agregados micelares como de polímeros anclados en superficies, ha sido modificada para describir la adsorción de polímeros en superficies. Así se han podido calcular numéricamente propiedades medibles experimentalmente como los perfiles de la fracción en volumen de monómeros totales, además de los pertenecientes a los bucles y colas, adsorbancia o el espesor de la capa adsorbida, para geometrías de la superficie absorbente tanto plana como esférica (partículas coloidales). En su comparación con otras metodologías, ya establecidas para la simulación numérica dentro de la física de polímeros, la aplicación de esta nueva versión del Single Chain Mean Field (SCMF) ha resultado ser más eficiente debido a un mejor muestreo del espacio de configuraciones de las cadenas poliméricas. De este modo, comparando los resultados obtenidos a partir del SCMF, con aquellos obtenidos mediante técnicas de simulación Monte Carlo o la teoría desarrollada en los años 80 por Scheutjens y Fleer (SCF), se ha podido encontrar un buen acuerdo en las propiedades calculadas para el caso de la adsorción en superficies planas. Debido a la dificultad intrínseca del estudio de la adsorción en superficies curvadas, nuestros resultados son los primeros que presentan predicciones cuantitativas sobre la estructura de la capa que se forma sobre una partícula coloidal. Así hemos podido comprobar la dependencia de la estructura de la capa de polímeros adsorbidos con el tamaño de la partícula sobre la que se encuentran adsorbidos además de las longitudes características de las cuales depende. Finalmente, en este trabajo se ha desarrollado, también, una teoría analítica para la descripción de la mezcla polímero-coloide. De este modo, los resultados numéricos obtenidos con el SCMF han podido ser comparados con dicha teoría, obteniendo, de nuevo, un buen acuerdo y predecir, además, comportamientos colectivos como la formación de geles.