{"id":65927,"date":"2008-04-07T00:00:00","date_gmt":"2008-04-07T00:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/efectos-gravitacionales-en-suspensiones-y-geles-coloidales\/"},"modified":"2008-04-07T00:00:00","modified_gmt":"2008-04-07T00:00:00","slug":"efectos-gravitacionales-en-suspensiones-y-geles-coloidales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/fisica-de-coloides\/efectos-gravitacionales-en-suspensiones-y-geles-coloidales\/","title":{"rendered":"Efectos gravitacionales en suspensiones y geles coloidales"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Juan  Jose Lietor Santos <\/strong><\/h2>\n<p>Los sistemas coloidales se pueden definir gen\u00e9ricamente como soluciones de una sustancia en otra, diferenci\u00e1ndose del concepto cl\u00e1sico de soluci\u00f3n en el campo de la qu\u00edmica, en que las entidades en la fase dispersa son varios ordenes de magnitud mayores en tama\u00f1o que las entidades de la fase dispersa.  Debido a su versatilidad, estos sistemas se encuentran presentes en diversas aplicaciones industriales como es el caso de las pinturas, la liberaci\u00f3n controlada de f\u00e1rmacos, la industria alimenticia, cosm\u00e9tica  o en la purificaci\u00f3n de aguas residuales .    en esta tesis doctoral, se abordar\u00e1 el estudio de un sistema coloidal particular donde la fase dispersa se encuentra en estado s\u00f3lido mientras que la fase dispersa est\u00e1 en estado l\u00edquido. Espec\u00edficamente, a este tipo de sistema se le conoce con el nombre de suspensi\u00f3n coloidal y a las part\u00edculas dispersas, simplemente como coloides.  al encontrarse los coloides en suspensi\u00f3n, la superficie de \u00e9stos se encuentra constantemente en colisi\u00f3n con las mol\u00e9culas del solvente. Puesto que el n\u00famero de colisiones en un instante de tiempo en diferentes puntos de la superficie de la part\u00edcula no es  el mismo, existe un desplazamiento neto y aleatorio observado por primera vez por brown en 1827 y conocido, en honor a su descubridor, como movimiento browniano. El n\u00famero de colisiones por unidad de tiempo aumenta con la temperatura, asi pues t\u00edpicamente las energ\u00edas asociadas al movimiento browniano est\u00e1n en el orden de kbt, siendo kb la constante de boltzmann. Cuando se aumenta el tama\u00f1o de las part\u00edculas, la energ\u00eda necesaria para desplazar una de ellas es mucho mayor que kbt, y por lo tanto, el movimiento browniano desaparece. Se habla en este caso de medios granulares.  desde un punto de vista fundamental, el comportamiento termodin\u00e1mico y estad\u00edstico de estos sistemas se ha demostrado equivalente al de los sistemas at\u00f3micos y moleculares, por tanto el formalismo de l\u00edquidos moleculares se puede aplicar \u00edntegramente a los sistemas coloidales, con la ventaja de que el tama\u00f1o, que t\u00edpicamente est\u00e1 comprendido entre 10nm y 10 \u00c2\u00bfm, y, por lo tanto, las escalas temporales caracter\u00edsticas de estos sistemas permiten la aplicaci\u00f3n de t\u00e9cnicas como la microscopia o  la dispersi\u00f3n de luz para elucidar propiedades que de otra manera serian de dif\u00edcil acceso. Adem\u00e1s, las suspensiones coloidales presentan una amplia versatilidad en cuanto a la forma: esf\u00e9ricas, cil\u00edndricas o discos, y a sus propiedades superficiales, que pueden ser modificadas con los m\u00e9todos actuales de preparaci\u00f3n de \u00e9stas.   asimismo, las suspensiones coloidales presentan, en analog\u00eda con los sistemas moleculares,  transiciones de fase que, esencialmente vienen determinadas por las interacciones entre part\u00edculas. Por ejemplo, la presencia de carga el\u00e9ctrica en la superficie de las part\u00edculas se usa en ocasiones para prevenir la agregaci\u00f3n irreversible de \u00e9stas. La interacci\u00f3n electrost\u00e1tica resultante viene representada por una interacci\u00f3n de yukawa, dependiente de la carga superficial de las part\u00edculas y la cantidad de iones en el medio. Por el contrario, a cortos alcances, la interacci\u00f3n dominante es una fuerza de van der waals, dependiente de la interacci\u00f3n atractiva entre los dipolos presentes en las superficies de las part\u00edculas. El formalismo general que engloba ambas interacciones fue descrito por derjaguin, landau, verwey y overbeek y es  conocido como la teor\u00eda dlvo.   existen otras fuerzas en los sistemas coloidales no inducidas a partir de propiedades superficiales de las part\u00edculas y, por lo tanto, no intr\u00ednsecamente electrost\u00e1ticas. Entre ellas, se puede destacar la interacci\u00f3n de deplexi\u00f3n que aparece cuando se a\u00f1aden especies de menor tama\u00f1o en un sistema coloidal provocando que, cuando dos de estas part\u00edculas se acercan a una distancia menor que el tama\u00f1o promedio de las especies peque\u00f1as, se cree una anisotrop\u00eda en la presi\u00f3n local que da lugar a una atracci\u00f3n de origen entr\u00f3pico, descrita por asakura y oosawa en los anos 50 y dependiente del valor de la presi\u00f3n osm\u00f3tica y del tama\u00f1o de la zona de exclusi\u00f3n de las part\u00edculas peque\u00f1as alrededor de las grandes.  asimismo, los sistemas coloidales se pueden someter al efecto de campos externos, de origen electrost\u00e1tico, magn\u00e9tico, \u00f3ptico o gravitatorio. En esta tesis, se abordar\u00e1 el comportamiento de estos sistemas bajo este \u00faltimo tipo de campo, que aparece como consecuencia de la diferencia de densidad entre las part\u00edculas coloidales y el medio en el que se encuentran inmersas, \u00c2\u00bf\u00c2\u00bf.   desde una perspectiva fundamental, el fen\u00f3meno de la sedimentaci\u00f3n es un punto central en la mec\u00e1nica de fluidos. En el caso m\u00e1s simple de una part\u00edcula en un medio viscoso, el equilibrio de fuerzas entre la gravedad y la fuerza viscosa da lugar a un crecimiento y posterior estabilizaci\u00f3n de la velocidad de sedimentaci\u00f3n, dependiendo este valor l\u00edmite del tama\u00f1o de la part\u00edcula, \u00c2\u00bf\u00c2\u00bf y la viscosidad de \u00e9ste \u00faltimo.  Sin embargo, el problema se torna mas complicado con la adici\u00f3n de otras part\u00edculas; por ejemplo la sedimentaci\u00f3n de tres part\u00edculas es ya ca\u00f3tica, ya que las fuerzas hidrodin\u00e1micas provocan que, a\u00fan cuando la velocidad promedio permanezca inalterada, la velocidad de las part\u00edculas fluct\u00fae alrededor de este promedio .  Las simulaciones  y los c\u00e1lculos te\u00f3ricos  revelan la existencia de grupos de part\u00edculas cuyas velocidades se encuentran correlacionadas, recordando el marco general a un movimiento convectivo, con remolinos, a\u00fan cuando los n\u00fameros de reynolds sean bajos.  Recientes trabajos experimentales han mostrado que en sistemas confinados en la direcci\u00f3n perpendicular a la gravedad y con n\u00fameros de p\u00e9clet mucho mayores que uno, o equivalentemente, sistemas en los que el tiempo para recorrer una cierta distancia sedimentando es mucho menor que el tiempo para difundir esa misma distancia, la dependencia de la magnitud de las fluctuaciones de velocidad con el tiempo es exponencial, con un tiempo caracter\u00edstico directamente dependiente de la altura de la c\u00e9lula experimental.  en la primera parte de esta tesis doctoral, se aborda el estudio de la sedimentaci\u00f3n de suspensiones coloidales confinadas a lo largo de la direcci\u00f3n de sedimentaci\u00f3n y en los cuales los n\u00fameros de p\u00e9clet son menores que uno, o sistemas en los que la difusi\u00f3n resulta a priori predominante sobre la sedimentaci\u00f3n.  Por una parte se evalua la existencia de estas correlaciones cuando la direcci\u00f3n de confinamiento coincide con la direcci\u00f3n de sedimentaci\u00f3n y, por otro lado, se revisa la importancia del n\u00famero de p\u00e9clet en la existencia y magnitud de estas correlaciones de velocidad.  para abordar la situaci\u00f3n de confinamiento se usan c\u00e9lulas experimentales construidas en el laboratorio, con alturas controladas entre las decenas de micras y los mil\u00edmetros, que permiten la observaci\u00f3n de las paredes de confinamiento con microscop\u00eda \u00f3ptica. Como suspensi\u00f3n coloidal se usan part\u00edculas de poli-estireno cargadas de tama\u00f1o microm\u00e9trico inmersas en un medio que ser\u00e1  mezcla de agua ultrapura y agua deuterada, pudiendo as\u00ed controlar la fuerza de la gravedad efectiva, que viene determinada por \u00c2\u00bf\u00c2\u00bf,  y por lo tanto, el valor del n\u00famero de p\u00e9clet. La hip\u00f3tesis de trabajo es que, si existen estas correlaciones de velocidad en esas condiciones, algunas de las part\u00edculas deben moverse en sentido contrario al impuesto por la diferencia de densidad y, por lo tanto, acumularse en la superficie no esperada a tenor del sentido de la gravedad. Siguiendo la evoluci\u00f3n del n\u00famero de part\u00edculas a lo largo del tiempo, constatamos el crecimiento de \u00e9ste y, eventualmente, su estabilizaci\u00f3n, llev\u00e1ndonos por tanto a una comprobaci\u00f3n directa del tiempo medio de supervivencia de las correlaciones de velocidad como funci\u00f3n de la separaci\u00f3n entre las superficies de confinamiento.  para descartar la relevancia que la carga de las part\u00edculas podr\u00eda tener, en base al fen\u00f3meno de adsorci\u00f3n electrost\u00e1tica, hemos realizado c\u00e1lculos te\u00f3ricos y simulaciones. La adsorci\u00f3n electrost\u00e1tica fue predicha a principios de los a\u00f1os noventa determinando que en un sistema coloidal cargado confinado entre dos paredes neutras, el estado de m\u00ednima energ\u00eda es aqu\u00e9l donde una fracci\u00f3n de las part\u00edculas se encuentra adsorbida sobre las paredes limitantes y confinada por la presi\u00f3n electrost\u00e1tica del resto.  Sin embargo, los valores l\u00edmite de los par\u00e1metros importantes, como la carga, el alcance de la interacci\u00f3n y la concentraci\u00f3n de part\u00edculas no han sido a\u00fan explorados ni se han realizado observaciones experimentales que soporten la teor\u00eda y la simulaci\u00f3n. As\u00ed pues, en esta tesis se realizan c\u00e1lculos te\u00f3ricos y simulaciones para elucidar el diagrama de estados de este fen\u00f3meno en t\u00e9rminos de variables experimentalmente controlables.  mediante una caracterizaci\u00f3n electrocin\u00e9tica de los sistemas coloidales empleados determinamos la carga efectiva de las part\u00edculas y podemos concluir, en base al modelo te\u00f3rico de interacci\u00f3n, que la adsorci\u00f3n electrost\u00e1tica no ning\u00fan papel en nuestras observaciones, y por lo tanto,   \u00e9stas provienen de propiedades hidrodin\u00e1micas.  la interacci\u00f3n de deplexi\u00f3n antes descrita, puede suponer, desde un punto de vista tecnol\u00f3gico, una alternativa para evitar la sedimentaci\u00f3n ya que la adici\u00f3n de pol\u00edmero al medio aumenta la viscosidad de \u00e9ste y, provoca la agregaci\u00f3n de part\u00edculas. Cuando la cantidad de pol\u00edmero es suficiente, la atracci\u00f3n resultante da lugar a la formaci\u00f3n de una estructura que eventualmente ocupa todo el espacio y que constituye un estado de no-equilibrio de las suspensiones coloidales, un gel. Actualmente se encuentra bastante aceptada la hip\u00f3tesis de que estos geles se forman a trav\u00e9s de descomposici\u00f3n espinodal y un subsiguiente arresto din\u00e1mico. Desde un punto de vista reol\u00f3gico, son sistemas con m\u00f3dulos de cizalla t\u00edpicamente entre 10-2  y 102 pa; por tanto, su resistencia a esfuerzos externos no es excesivamente grande y bajo el propio esfuerzo gravitatorio generado por su peso, acaban comprimi\u00e9ndose.  el modelo de compresi\u00f3n de estos geles se puede describir consider\u00e1ndolos como redes porosas en las cuales el esfuerzo gravitacional, que es proporcional a la concentraci\u00f3n de part\u00edculas y a la altura del gel, es compensado por la elasticidad de \u00e9ste y por el rozamiento del fluido al pasar por los intersticios [24]. Adem\u00e1s, debido a que distintas partes del gel soportan distintos esfuerzos, se ha propuesto la existencia de gradientes de fracci\u00f3n de volumen a lo largo de la altura de \u00e9ste [25].  en las cercan\u00edas de la l\u00ednea de formaci\u00f3n del gel, estas estructuras presentan un comportamiento peculiar respecto de su compresi\u00f3n. En principio, mantienen su posici\u00f3n inicial sin apenas comprimirse pero, eventualmente, la estructura colapsa y el sistema evoluciona r\u00e1pidamente a una posici\u00f3n de equilibrio final.  Muy poco es sabido acerca de las razones f\u00edsicas por las cuales este colapso aparece o acerca de las variables importantes que lo controlan, por lo tanto, hasta ahora no ha sido posible realizar predicciones del comportamiento a priori.  en la segunda parte de la tesis, abordamos los efectos gravitacionales sobre geles coloidales, intentando elucidar los l\u00edmites de ocurrencia entre la compresi\u00f3n y el colapso de \u00e9stos, ahondando en la f\u00edsica de ambos comportamientos. En la compresi\u00f3n, revisamos la hip\u00f3tesis de existencia de un gradiente de concentraci\u00f3n, realizando experimentos macrosc\u00f3picos de evoluci\u00f3n de la altura de los geles en funci\u00f3n del tiempo con un sistema de adquisici\u00f3n digital. Asimismo, las experiencias nos permiten comprobar la validez del modelo de compresi\u00f3n comparando las predicciones te\u00f3ricas al respecto de la evoluci\u00f3n de la altura con el tiempo y los resultados experimentales.  respecto al colapso gravitatorio, establecemos pautas generales de comportamiento mediante observaci\u00f3n visual de distintos sistemas en los que tanto la energ\u00eda como la concentraci\u00f3n de part\u00edculas cambia,  y relacionamos estas pautas generales con el comportamiento reol\u00f3gico y din\u00e1mico del sistema.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>Efectos gravitacionales en suspensiones y geles coloidales<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 Efectos gravitacionales en suspensiones y geles coloidales <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Juan  Jose Lietor Santos <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Almer\u00eda<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 04\/07\/2008<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Alberto Fernandez De Las Nieves<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: Francisco javier De las nieves lopez <\/li>\n<li>Antonio Barrero ripoll (vocal)<\/li>\n<li>francesc Sagues (vocal)<\/li>\n<li>Francisco Javier Meseguer rico (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Juan Jose Lietor Santos Los sistemas coloidales se pueden definir gen\u00e9ricamente como soluciones de una sustancia en 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