¡El Tamaño Sí Importa!!!!

A unas les gustan grandes, a otras chicas.  A unas les gustan gruesas, a otras delgadas.  A unas les gustan largas, a otras pequeñas.  Unas se fijan mucho en el tamaño; y hasta para unos el tamaño es muy importante.  Estamos hablando del gusto de las empresas y laboratorios químicos por el tamaño de la materia, que es crucial en sus propiedades.

El tamaño influye mucho en las propiedades de la materia.  Un ejemplo es la solubilidad.  La solubilidad de los materiales de tamaño normal se rige por el viejo principio químico de:  “lo semejante disuelve lo semejante”.  La grasa es soluble en aceite y la sal es soluble en agua.  Pero éste principio se vuelve inválido para las moléculas grandes, las llamadas macromoléculas, y para los polímeros.  La teoría de Flory nos dice la razón, se trata de moléculas grandes en las que la superficie de contacto con el solvente está restringida.  Mientras que especies pequeñas como la sal tienen 9 espacios adyacentes para el contacto con el solvente, una especie grande como el polietileno sólo tendrá 6 espacios para el contacto con el solvente, los extremos tendrán 8.  Esto va a restringir grandemente la solubilidad.  Claro que éstas restricciones tienen sus ventajas, algunos polímeros tienen solventes “malos”, se trata de solventes en los que la solubilidad sólo se da en cierto rango de temperatura debido a cuestiones termodinámicas.  El límite superior de solublidad se conoce como LCST (lower critical solution temperature, temperatura mínima de solubilidad crítica) arriba de esa temperatura el polímero será insoluble.  El límite inferior de solubilidad se conoce como UCST (upper critical solution temperature, temperatura máxima de solubilidad crítica), debajo de esa temperatura el polímero será insoluble.  Los fármacos inteligentes son una matriz polimérica que absorbe agua y un fármaco soluble en agua, el polímero presenta una LCST, por arriba de la LCST el polímero se volverá insoluble y liberará el agua con el fármaco a esa temperatura, de éste modo se puede tener un fármaco inteligente para la calentura que libere el medicamente a, digamos, 37°C.  La LCST se puede controlar con el tamaño del polímero, el peso molecular o la concentración del mismo en el solvente.  La LCST también tiene uso en polímeros usados como sensores.  Algunos polímeros presentan la UCST; pocos presentan ambos fenómenos, es una rareza encontrar un polímero que tenga LCST y UCST, pero los que tienen ambos fenómenos pueden usarse para un control exacto de la concentración de un fármaco o de otra especie química.  

Solubilidad de una especie de bajo peso molecular.

Solubilidad de una especie de alto peso molecular.

El tamaño en polímeros también influye en la formación de cristales líquidos, mientras más grande, o pesado sea un polímero con capacidad de formar cristales líquidos, más fácil los formará.  La presencia del cristal líquido depende de la concentración del polímero, pero es más probable que ése mismo polímero pueda formar cristales líquidos cuando su peso molecular sea alto.

El tamaño en polímeros es crucial cuando se refiere a peso.  El polietileno (PE) de baja densidad y el de PE de alta densidad son el mismo polímero, pero la diferencia es el tamaño, en forma de peso molecular.  El PE de baja densidad se rompe más fácilmente que el de alta densidad, que es más resistente.  El PE de baja densidad tiene un peso molecular menor, mientras que el PE de alta densidad tiene un alto peso molecular, es decir, la diferencia es el número de cadenas que están unidas.  Como el PE de alta densidad tiene más cadenas, éstas tienen menor libertad de movimiento y por lo tanto deben arreglarse de manera más organizada, lo que hace que tengan una estructura ordenada y por lo tanto el material es más resistente.  El PE de baja densidad contiene menos cadenas las cuales están ordenadas de manera aleatoria, por lo que su resistencia es menor.  Las bolsas de plástico de supermercado que se rompen fácilmente son de baja densidad, las que son más resistentes son de alta densidad.  Actualmente el ejército americano está reemplazando el Kevlar de los cascos antibalas por PE de ultra alta densidad.

El tamaño es importante en el otro extremo, cuando la materia es muy pequeña.  Cuando se trabaja en nanómetros se trabaja en el rango de tamaño en el que la materia define sus propiedades electrónicas, por lo que los diferentes tamaños tienen una gran influencia en sus propiedades.  La materia en nanopartículas tiene mejores propiedades que la materia en tamaño normal:  más resistente, más conductora de la electricidad, etc.  Diferentes tamaños son diferentes propiedades, un ejemplo es el oro, muy usado en nanopartículas.  El material en bulto es color dorado, cuando son partículas (sobre todo esféricas) de 10 nanómetros de diámetro el material es rojo, cuando tiene 20 nanómetros de diámetro el color es azul violeta, y de 50 nanómetros es color verde.  Diferentes tamaños y configuraciones dan como resultado diferentes colores.  Otro material muy usado es el disulfuro de molibdeno, cuando se trata de nanopartículas sus propiedades de catalizador son mejores; el disulfuro de molibdeno se usa en la remoción de azufre en el petróleo, cuando se trata de nanopartículas el área de contacto con el petróleo es mayor y por lo tanto es mejor catalizador.

 

Oro en solución, las partículas son de diámetro mayor a 200 nanómetros.

Nanopartículas de oro en solución.  El diámetro de las nanopartículas es de alrededor de 10 nanómetros.

Imagen de Microscopio Electrónico de Transmisión de las partículas de la foto de arriba.  La imagen muestra nanopartículas octagonales.  La barra de la parte derecha inferior muestra la escala, 5 nm.