Statistical Mechanics of Superparamagnetic Colloidal Dispersions Under Magnetic Fields

Resumen

Les dispersions col·loïdals, un terme encunyat pel científic escocès Thomas Graham el 1861, han estat objecte d’interès en diferents àrees científiques durant més d'un segle. Una dispersió col·loïdal es caracteritza per l’existència d'una fase dispersa uniformement distribuïda dins un medi dispersiu. Diferents compostos entren dins aquesta categoria, com els aerosols (fum, boira, núvols o pols), les escumes, les emulsions (maionesa o llet) o els gels (mantega o melmelada). Les millores recents en la síntesi de partícules i l'estabilitat col·loïdal han impulsat la millora en el disseny de nous col·loides, conferint-los les propietats requerides en cada aplicació. Entre la gran varietat de dispersions col·loïdals (existents en la naturalesa o dissenyades per l'home), hem estudiat un tipus singular de dispersions on les partícules col·loïdals mostren un comportament superparamagnetic anomenades dispersions col·loïdals superparamagnètiques. En aquestes dispersions, sorgeixen característiques sorprenents quan un camp magnètic extern és aplicat, com a conseqüència del balanç entre les interaccions característiques entre col·loides i la interacció magnètica anisotròpica dipol-dipol entre les partícules col·loïdals constituents. Al llarg d'aquesta tesi s'ha utilitzat diferents models teòrics i de simulació per tractar diferents fenòmens que apareixen en aquestes dispersions col·loïdals superparamagnètiques. Per una banda, hem mostrat com l’aplicació de camps magnètics uniformes a aquestes dispersions indueix l’agregació reversible de les partícules superparamagnètiques. A la vista dels models teòrics i simulacions, hem proposat un nou criteri basat en les propietats físiques de les dispersions col·loïdals per predir la formació d'agregats, i la seva validesa s'ha discutit comparant el comportament predit amb resultats experimentals. Hem aportat evidencies de la existència d'un estat d'equilibri on els agregats assoleixen una distribució de mides estable, un fet ja suggerit amb anterioritat però establert sense prou claredat. També ens hem centrat en la descripció de la cinètica de creixement d'aquests agregats i en la seva implicació en diferents fenòmens observats experimentalment. La necessitat d'assolir escales de temps grans, com en certes situacions experimentals, ha motivat el desenvolupament de nous models i estratègies de simulació per reduir els temps de càlcul requerits en simulacions estàndard. Hem presentat un nou model de simulació que proporciona un mètode fiable i més ràpid per descriure la formació d'estructures en forma de cadena que apareixen en dispersions superparamagnètiques. El model ha estat validat comparant-ne els resultats obtinguts amb altres resultats de simulacions estàndard de Dinàmica de Langevin i s'ha aplicat a situacions experimentals, com ara el temps de relaxació T2 dels protons en solucions aquoses de nanopartícules superparamagnètiques. Mencionar també que aquest model de simulació ha estat implementat i el corresponent programari s’ha posat a disposició de la comunitat científica de forma gratuïta, concebut com una eina de simulació que pot ser ampliada fàcilment per resoldre altres problemes d’interès. Per altra banda, també hem discutit diferents efectes que sorgeixen com a conseqüència de l’aplicació de camps magnètics inhomogenis a aquestes dispersions superparamagnètiques. En concret, hem estudiat el moviment de les partícules magnètiques disperses en fluids a través de camps magnètics inhomogenis, el que es coneix com magnetoforesi. Per a tal efecte, hem centrat els esforços en la descripció de la separació magnètica de col·loides mitjançant l’aplicació de gradients de camp magnètic uniformes, des de dispersions superparamagnètiques a mescles de col·loides amb diferent resposta magnètica. Hem validat aquests models teòrics comparant-los amb simulacions per ordinador i n’hem discutit la seva utilitat comparant-ne les prediccions amb resultats experimentals. L’anàlisi racional d'aquests resultats proporciona un marc idoni per a millorar el disseny i el rendiment de diferents separadors magnètics, així com plantejar noves estratègies de separació, com per exemple la separació cooperativa en dispersions superparamagnètiques. Existeixen, encara, problemes oberts que esperem que aquest treball ajudi a afrontar com, per exemple, entendre la interconnexió entre les estructures induïdes en dispersions superparamagnètiques i la seva dinàmica d’agregació. Aquest és un aspecte important en una gran varietat d'aplicacions industrials i de laboratori com són els processos de separació magnètica, tractament d’aigües residuals i eliminació de contaminants, immunoassaigs en aplicacions clíniques o la creació de nous materials supramoleculars. Tanmateix, esperem que els resultats que es presenten al llarg d'aquest document encoratgin nous estudis dins el camp de col·loides magnètics, ja sigui perfeccionant els resultats i mètodes aquí presentats o contribuint al desenvolupament de noves estratègies per afrontar problemes encara per resoldre.