Discurso de Incorporación como Miembro Correspondiente Estadal de la Academia de Mérida
Dra. María Teresa Celis
PREÁMBULO
En 1860, Thomas Graham (1805-1869), químico de origen británico, observó que sustancias como el almidón, la cola (goma), la gelatina o la ovo-albúmina, difunden en el agua con gran lentitud, en comparación con el azúcar o la sal de cocina. También observó que, de todas las sustancias mencionadas, solo el azúcar y la sal podían formar cristales a partir de sus disoluciones[1].
Graham seguiría con sus investigaciones, muchas de naturaleza empírica, y es necesario destacar que fue el primero en acuñar el término “coloide”, y lo utilizó para describir una clase de sustancias químicas, diferentes al azúcar y la sal de cocina, pero que tienen la capacidad de dispersarse en un disolvente como el agua.
Más adelante, ya en el siglo XX, la investigación exhaustiva sobre los coloides permitió sentar las bases fisicoquímicas de estos sistemas. Por ejemplo, se realizaron importantes descubrimientos sobre el tamaño y movimiento de las partículas coloidales, los cuales fueron realizados en 1906, por el físico austrohúngaro Marian Smoluchowski[2] (1872-1917) y el químico sueco Theodor Svedberg[3] (1884-1971); éste último, ganó el Permio Nobel de Química en 1926 por sus trabajos sobre la fisicoquímica de los sistemas dispersos. Por otro lado, y en 1908, el también Premio Nobel en Física (1926) y fisicoquímico de origen francés Jean Baptiste Perrin[4] (1870-1942), entrará a describir el equilibrio y los fenómenos de transporte en sistemas dispersos (equilibrio de sedimentación). También en 1908, el propio Albert Einstein[5] describe un fenómeno de interés para los sistemas coloidales, el movimiento browniano, el cual incluye el movimiento de las partículas coloidales que, al ser observadas por medio de un microscopio de alta resolución, se mueven erráticamente debido a que el medio “perturba” a las partículas que están dispersas en él. Este movimiento aleatorio (estocástico), fue denominado “movimiento browniano”, en honor del botánico inglés Robert Brown que, en 1827, observó que los granos de polen suspendidos en agua presentan un movimiento aleatorio.
Sobre las bases fisicoquímicas desarrolladas en la primera mitad del siglo XX, la definición de coloide establece que se trata de mezclas en las que partículas nanométricas, relativamente grandes, a las cuales se les denominó como “fase dispersa”, se distribuyen de manera uniforme a través de un medio que actúa como disolvente, al cual se le asignó el nombre de “fase continua” o medio de distribución[6].
De manera similar a las disoluciones reales, se conocen coloides gaseosos, líquidos y sólidos y, a pesar de que, tanto las disoluciones como los coloides se ven a simple vista como sistemas homogéneos, a nivel microscópico, los coloides no son para nada homogéneos, se distingue perfectamente la fase dispersa de la fase continua.
En un coloide, las partículas que conforman la fase dispersa pueden ser de 10 a 1000 veces más grandes que una molécula individual. De hecho, las partículas coloidales son tan grandes que tienen diámetros de hasta 1000 nanómetros[7], lo cual afecta la luz visible que, al pasar a través de ellos, experimentan el fenómeno de difracción denominado “efecto Tyndall”[8].
La importancia de los coloides[9] es significativa, muchos sistemas de la naturaleza y de la vida cotidiana son coloidales, razón por la cual su estudio tiene una importancia capital. En tal sentido, es necesario señalar que los coloides se clasifican según el estado de la fase dispersa, ya sea sólida, líquida o gaseosa, y de acuerdo a la naturaleza de la propia fase continua.
Un “sol” es un sistema coloidal cuya fase continua es un líquido o un gas y, en éste último caso, el sol pasa a denominarse “aerosol”. La neblina, tan característica en las regiones frías como los Andes, es un aerosol de fase continua gaseosa y fase dispersa líquida. El humo es un aerosol con una fase dispersa sólida o líquida; de hecho, en el humo del tabaco la fase dispersa es líquida. El esmog que contamina la atmósfera de las grandes ciudades es un aerosol cuya fase dispersa consiste en pequeñas gotas de ácido sulfúrico (H2SO4) o sulfato de amonio (NH4)2SO4, que resultan de la quema de combustibles ricos en azufre en los motores de combustión interna del parque automotor. Este aerosol, rico en sulfatos, es responsable de la lluvia ácida que tanto perjudica la salud de los habitantes de las grandes metrópolis urbanas, y la integridad de las fachadas de los edificios y de las obras de arte.
Un “gel” también es un coloide pero, en este caso, la fase continua es sólida y la fase dispersa es un líquido, como en el caso de la mantequilla. Por su parte, una espuma es un coloide en el cual tenemos una fase dispersa formada por burbujas gaseosas en una fase continua líquida o sólida. A pesar de que los diámetros de las burbujas se encuentran en el orden de los 1000 nanómetros, la distancia entre ellas es menor, por lo que las espumas son sistemas coloidales y en ellas la fase continua se encuentra en estado coloidal. Las espumas resultan para todos muy familiares, especialmente en el jabón o la espuma de afeitar y las bebidas espumantes. La piedra pómez es un caso interesante, pues se origina como una espuma de burbujas de aire dispersas en roca volcánica fundida. Por otra parte, algunas aleaciones pueden ser consideradas coloides, donde tanto la fase continua como la fase dispersa son sólidas, como el acero.
Los sistemas coloidales se pueden clasificar, por ejemplo, de acuerdo a la naturaleza de las partículas que componen la fase dispersa. En tal sentido, tenemos dos grandes grupos, aquellos que están compuestos de moléculas individuales, es decir, partículas unimoleculares, y los que están formados por agregados moleculares, que serían partículas polimoleculares, como en el caso de los coloides de cloruro de plata u oro, que presenta dos fases. El tamaño microscópico de las partículas da lugar a una superficie interfacial muy grande, razón por la cual los efectos superficiales, por ejemplo la adsorción sobre las partículas, entran a jugar un papel preponderante y determinan las aplicaciones del sistema[10].
En una disolución polimérica, como en el caso de muchas proteínas o enzimas disueltas en agua, la partícula coloidal es una única molécula, pero de un tamaño nanométrico muy grande, y el sistema presenta una sola fase. En este caso, no existen interfaces, pues el grado de solvatación de la superficie del polímero es muy alto. El tamaño de la molécula de polímero hace que su disolución mimetice a una dispersión coloidal de partículas polimoleculares; especialmente, en lo que se refiere a las propiedades fisicoquímicas, como la dispersión de la luz o la sedimentación.
Finalmente, en el campo de las dispersiones coloidales es imprescindible destacar las “emulsiones”[11], que vienen a ser coloides donde la fase continua y la fase dispersa son líquidas; de allí, la importancia de este tipo de coloides, que ocupa en buena medida el trabajo de investigación multidisciplinario de muchos grupos y laboratorios, tanto de universidades como del sector industrial.
En el área de la ingeniería química, la preparación de emulsiones tiene un papel crucial dentro de los procesos que se manejan. De hecho, la industria química concentra buena parte de sus acciones en procesar sustancias a fin de llevarlas hasta la forma de una emulsión.
Llegados a este punto es menester hacernos la siguiente pregunta: ¿en qué radica la importancia del estudio de las emulsiones? La respuesta comienza por señalar que en casi todos los aspectos de la vida cotidiana tenemos presente algún tipo de emulsión y es necesario conocer los procesos tecnológicos asociados a fin de mejorar cada día más.
La mayonesa, muchos aceites comestibles, los aderezos o salsas, bebidas alimenticias[12], productos de higiene y para el hogar, sólo por dar algunos ejemplos, son emulsiones que vamos a encontrar en los anaqueles de supermercados y abastos. Pero no es solo allí donde podemos encontrar emulsiones; en el campo de la industria farmacéutica aparecen bajo la forma de jarabes que son recetados para el tratamiento de diversas enfermedades. En el campo de los cosméticos, muchos productos de cuidado de la piel son emulsiones. En la agricultura, una cantidad de agroquímicos se encuentra en forma de aerosoles o emulsiones. Finalmente, en la industria petrolera, un área de desarrollo estratégico para un país como Venezuela, el campo de las emulsiones tiene un papel preponderante en la formulación de productos que le dan un alto valor agregado al petróleo, comenzando por los aceites y lubricantes, sin dejar de mencionar la Orimulsión®, un producto “made in Venezuela” desarrollado en buena medida aquí en la Universidad de Los Andes por el Laboratorio de Fenómenos Interfaciales y Recuperación del Petróleo, actualmente, Laboratorio de Formulación, Interfases, Reología y Procesos (FIRP), en el cual he desarrollado desde 1984 buena parte de mi experiencia científica; mientras que, desde el año 2005, en el Laboratorio de Polímeros y Coloides (POLYCOL), se han venido perfeccionando nuevas líneas de investigación. Ambos laboratorios son unidades de investigación reconocidas, y adscritas a la Escuela de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes.
A continuación, voy a desarrollar una breve revisión, en formato de divulgación científica[13], sobre el área de los coloides, las emulsiones, los surfactantes y los polímeros, un campo de trabajo fascinante donde llevo treinta y cinco años ininterrumpidos adelantando proyectos de investigación junto a un nutrido grupo de colegas encabezados por el distinguido investigador Dr. Jean Louis Salager.
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Dra. María Teresa Celis
Laboratorio Polímeros y Coloides (POLYCOL), Escuela de Ingeniería Química. Universidad de Los Andes. Mérida – 5101-Venezuela
[1] J Wisniak. Thomas Graham. I. Contributions to thermodynamics, chemistry, and the occlusion of gases. Educ. quím., 24(3), 316-325, 2013.
[2] H Klein, D Woermann. Displacements of Brownian Particles in Terms of Marian von Smoluchowski’s Heuristic Model. Jorunal Chemical Education. 2005, 82 (11), 1642-1644
[3] M Kerker. Classics and classicists of colloid and interface science: III. The (Theodor) Svedberg. Journal of Colloid and Interface Science. 114, 1, 295-297 (1986)
[4] JS Townsend. Jean Baptiste Perrin. 1870-1942. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 4, 12, 301-305 (1943).
[5] A Einstein. Investigations on the Theory of the Brownian Movement. Dover Publications. (1956) [1926], 1-18.
[6] JW Moore, CL Stanitski, JL Wood, JC Kotz, MD Joesten. El mundo de la química. Conceptos y aplicaciones. México. Addison Weslwy Longman, 2000, p. 754-757.
[7] IN Levine. Physical Chemistry (5th ed.). Boston: McGraw-Hill. p. 955, 2001.
[8] RH Goldsmith. A simple Tyndall effect experiment. Journal Chemical Education, 1988, 65(7), 623.
[9] T. Cosgrove (Ed.). Colloid Science: Principles, Methods and Applications. Chichester: Wiley, 2010.
[10] JC Berg. An Introduction to Interfaces & Colloids: The Bridge to Nanoscience. London: World Scientific, 2010.
[11] P Becher (Ed.). Encyclopedia of Emulsion Technology. Vol. 1. New York: Marcel Dekker, 1983.
[12] B Ozturk, DJ McClements. Progress in natural emulsifiers for utilization in food emulsions. Current Opinion in Food Science. 7, 1-6 (2016).
[13] RR Contreras, A. Ferrer-Escalona. La divulgación de la ciencia en la formación de los futuros científicos. Anuario Latinoamericano de Educación Química, ALDEQ XXIII, 2007-2008, 126-131.
