Magnetismo: desarrollo de un nuevo tensoactivo Understand article

Traducido por José L. Cebollada. Cada vez es más preocupante la contaminación producida por el uso de detergentes y otros tensoactivos. Hay una nueva propuesta: recuperar los tensoactivos encendiendo y apagando un campo magnético.

Imagen cortesía de
Roadsidepictures; fuente de la
imagen: Flickr
Los lavaderos automáticos de
coches utilizan mucho
detergente.

Imagen cortesía de swisscan;
fuente de la imagen: Flickr

Se estima que en la Unión Europea cada persona gasta 10 kg de detergentes al año. En esta cifra incluye el jabón de tocador, champú, pasta de dientes, detergentes para la lavadora y otros productos de limpieza habituales y también las sustancias relacionadas con los detergentes usadas en combustibles, medicamentos o en la industria alimentaria, incluso en la cerveza. La industria utiliza grandes cantidades de detergente, por ejemplo las lavanderías, la preparación de pieles para teñirlas, los lavaderos de coches o los servicios de limpieza e higiene de los hospitales.

Después del lavado los residuos se eliminan en el aclarado y se vierten al exterior por los desagües. Imaginemos que se pudieran recuperar esos residuos. Este artículo da cuenta de las últimas investigaciones sobre detergentes reciclables y los avanzados métodos de investigación utilizados.

Jabones, detergentes y tensoactivos

Imagen 1: Dodecanoato de
sodio, C11H23COONa+, Se
puede observar la larga cola
hidrófoba y la cabeza hidrófila
debido al carboxilato. Clic
sobre la imagen para ampliar.

Imagen cortesía de la
Universidad de Bristol
Imagen 2: La estructura básica
de los detergentes para
eliminar manchas de grasa es
la micela.: la grasa queda en
el interior (A) de la micela. La
cola hidrófoba (B) interacciona
con aceites y grasas (A) y la
cabeza hidrófila (C) crea
puentes de hidrógeno con la
solución acuosa (D).

Imagne cortesía de Mariana
RuizVillarreal; origen de la
imagen: Wikimedia Commons

Los tensoactivos son sustancias que rebajan la tensión superficial de un líquido y los hacen aptos para muchas aplicaciones  por ejemplo como emulsionantes, espumantes, dispersantes o humectantes.  Los tensoactivos o mezclas de tensoactivos usados en los productos de limpieza se conocen como detergentes. El detergente más antiguo del que tenemos noticia se utilizó en Babilonia hace casi 5000 años; de hecho la industria del jabón es una de las más veteranas industrias.

El dodecanoato de sodio (figura 1) tiene una estructura común a todos los tensoactivos: una parte hidrófila de la molécula, es decir, soluble en agua, constituida por una cabeza cargada. El resto de la molécula es una ‘cola’ hidrófoba. Los detergentes se disuelven en agua por el resultado de las fuerzas intermoleculares. La cabeza posee un ión negativo de carboxilato que establece puentes de hidrógeno con el agua, mientras que la cola hidrófoba no forma puentes de hidrógeno porque es un alcano sin elementos electronegativos. Así se explica por qué los tensoactivos se agrupan en racimos llamados micelas (imagen 2), que resultan esenciales para la acción limpiadora de los detergentes

El primer detergente: el jabón.
Imagen cortesía de schoeband;
fuente de la imagen: Flickr

Los dos extremos del detergente también se comportan de manera diferente frente a moléculas no polares como las grasas. La cadena hidrófoba interacciona con la grasa mientras que la hidrófila atrae a las moléculas de agua mediante puentes de hidrógeno. Si agitamos la grasa se separa del material que estaba manchado porque el detergente forma pequeñas gotas que contienen grasa en su interior; las superficies de estas gotitas están formadas por las cabezas hidrófilas. Así la grasa se puede arrastrar englobada en el interior de estas micelas (imagen 2),

Desarrollo de tensoactivos magnéticos

Un grupo de investigación de la Universidad de Bristol, Reino Unido, en el que participan dos de los autores está trabajando en un nuevo tipo de tensoactivos magnéticos, que responden a un campo magnético debido a que incorporan átomos de hierro en la cabeza (Imágenes 3 y 4). Estos tensoactivos pueden tener aplicaciones médicas y medioambientales.

Imagen 3: Desarrollo de un
tensoactivo magnético a partir
de uno convencional.
A) Estructura del bromuro de
dodeciltrimetilamonio, un
tensoactivo no magnético
tomado como material de
partida. Clic en la imagen para
ampliar.

¿Cómo se desarrollan los tensoactivos magnéticos?, ¿Cómo comprobar que se ha sintetizado un tensoactivo magnético?

Para empezar,  los investigadores de Bristol tomaron un tensoactivos conocido y sustituyeron un grupo que contenía bromo por con hierro (imagen 3). Demostraron que el compuesto sigue  actuando como tensoactivo, es decir, que era capaz de reducir la tensión superficial de los líquidos y producía espuma.  Después, este grupo demostró que el hierro de la cabeza le confería propiedades magnéticas al tensoactivo.

Sin embargo los investigadores necesitan analizar con más detalle el compuesto para entender qué está sucediendo. Por ejemplo, aunque rebaje significativamente la tensión superficial, lo que induce a pensar la formación de micelas, no es una prueba concluyente. Para demostrarlo hizo falta recurrir a una prueba de alta resolución llamada dispersión de neutrones en pequeño ángulo (SANS, por sus iniciales en inglés)

B) Estructura del
triclorobromoferrato de de
dodeciltrimetilamonio, uno de
los tensoactivos magnéticos
en los que está trabajando el
grupo de Bristol. Clic en la
imagen para ampliar.
Imagen 4: los efectos de un imán en las disoluciones de dos tensoactivos, uno normal (izquierda; se ha añadido tinte para visualizar las dos capas) y otro magnético. La atracción que muestra la imagen de la derecha se explica por las propiedades magnéticas del tensoactivo.
Imágenes cortesía de la Universidad de Bristol.

Los tensoactivos se analizan mediante la dispersión de neutrones en pequeño ángulo

SANS es una técnica muy buena para analizar estructuras entre 0.1 y 100 nm; que la hace apta para estudiar las propiedades tensoactivas de las micelas y las gotas emulsionadas, con un diámetro de entre 2 y 10 nm. SANS también se usa mucho para investigar materiales blandos (como polímeros, coloides y cristales líquidos), estructuras biológicas (como ADN y proteínas disueltas) y materia condensada más dura (clústeres en aleaciones y líneas de flujo en redes superconductoras).

En los experimentos SANS se dirige un haz de neutrones hacia la muestra que se va a analizar (imagen 5); el haz puede entenderse como un chorro de partículas libres que viajan en la misma dirección y velocidad. Los neutrones del haz interaccionan con los núcleos de los átomos de la muestra y los dispersan. Un detector registra la posición de estos neutrones. Con datos de intensidad de neutrones dispersados en diferentes zonas de la muestra se pueden aplicar modelos matemáticos para determinar la forma tamaño y carga de la muestra. Para más detalles sobre SANS puedes descargar los materiales de apoyo de la web de Science in Schoolw1.

Imagen 5: Esquema del experimento de dispersión de pequeño ángulo de neutrones. Se pueden ver los vectores de onda incidente, ki, y el dispersado, ks y el vector resultante q que está en el plano del detector.
Imagen cortesía del ILL

El grupo de Bristol contó con la colaboración de científicos del Institut Laue-Langevin (ILL; ver cuadro) en Grenoble, Francia. Ya se habían observado algunas propiedades tensoactivas del nuevo compuesto, como la reducción de la tensión superficial, pero la SANS ofreció pruebas concluyentes de la formación de micelas.

Más aún, los científicos pudieron ver que las micelas que formaba en Nuevo tensoactivo eran pequeñas, esféricas y sin carga. Esto es importante porque el comportamiento de un tensoactivo, y por tanto, sus aplicaciones, dependen de las características de las micelas y de las gotitas que se crean en la emulsión de diferentes líquidos. Con esta información, ahora se pueden predecir mejor el comportamiento de los tensoactivos en diferentes condiciones para poder estudiarlas en el futuro.

Gracias a SANS pudieron probar si en disolución existían por un lado partículas de hierro disociadas del tensoactivo y por otro un tensoactivo sin propiedades magnéticas o si los dos elementos permanecían unidos formando las micelas magnéticas. Los resultados indican que los compuestos de hierro están integrados en las micelas. Esto ha propiciado crear emulsiones magnéticas con posibles aplicaciones médicas (ver debajo).

Aplicaciones médicas y medioambientales de los tensoactivos

El vertido del Deepwater
Horizon en el Golfo de Méjico,
visto desde el espacio en
2010. Fue el mayor vertido de
petróleo de la historia. Se
utilizaron detergentes para
dispersar el crudo.

Imagen cortesía de la NASA

Puede resultar extraña la idea de crear tensoactivos magnéticos pero tiene muchas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, muchos tensoactivos no son biodegradables, pero si los sustituimos por otros magnéticos pueden retirarse de las aguas residuales por métodos magnéticos, y así se puede disminuir los niveles de detergentes vertidos al medioambiente.

Imagen 6: El efecto de un
campo magnético en una
emulsión magnética: el imán
arrastra las gotitas hacia
arriba, venciendo a la
gravedad. Cuando se quita el
imán (imagen 5) la gravedad
arrastra la gota hacia el fondo
del tubo. Clic en la imagen
para ampliar.

Imagen publicada en Brown et
al. (2012a). Reproducida con
permiso de la Royal Society of
Chemistry
.

Por otra parte, cuando hay un vertido de petróleo en el mar, se usan tensoactivos para fragmentar el vertido en pequeñas gotas que después se dispersan por las aguas, y el crudo sigue siendo un peligro. Si se usan tensoactivos magnéticos, las emulsiones de pequeñas del vertido se pueden recuperar magnéticamente, eliminando tanto el petróleo como los tensoactivos.

Los tensoactivos magnéticos pueden tener aplicaciones médicas. Se pueden guiar los medicamentos a las células concretas sobre las que tienen que actuar y así se ahorran medicamentos y se minimizan los efectos secundarios. La imagen 6 muestra la emulsión de pequeñas gotas (teñidas de azul) formadas por los tensoactivos magnéticos que pueden controlarse con un pequeño imán para vencer al flujo de la sangre en el cuerpo. Estas emulsiones pueden encapsular medicamentos como lo hacen otras emulsiones pero las magnéticas pueden dirigirse al punto concreto del cuerpo con un imán.

Imagen cortesía de Gustavo
(lu7frb); fuente de la imagen:
Flickr

El futuro

Los tensoactivos magnéticos no son los únicos tensoactivos nuevos que se desarrollan en Bristol. El equipo también está investigando tensoactivos que pueden activarse o inactivarse por cambios de luz, pH, temperatura, presión o concentración de dióxido de carbono. El reto consiste en saber cómo llevar a una escala industrial la síntesis de los tensoactivos para producirlos de manera efectiva y a precios asequibles.

 

Más sobre el ILL

El experimento SANS precisa rayos muy luminosos de neutrones que sólo se pueden producir en grandes instalaciones. En Europa estos laboratorios son acciones intergubernamentales como el ISISw2, en el Reino Unido y el Instituto Laue-Langevin (ILL)w3, en Francia.

El ILL es un centro de investigación internacional que alberga la mayor fuente de neutrones del mundo. Cada año se realizan más de 800 experimentos que los llevan a cabo unos 2000 científicos de todo el mundo. Las investigaciones se desarrollan en diferentes campos como la física de la materia condensada, la química, la biología, la física nuclear y la ciencia de materiales.

El ILL es miembro EIROforumw4, editor de Science in School.

 

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References

Web References

  • w1 – Para saber más sobre el análisis SANS puedes descargarte estos materiales de la web Science in School  en formato Word o PDF.
  • w2 – ISIS es un centro líder  munidal en el uso de técnicas neutrónicas y muónicas para el estudio de las propiedades de los materiales a escala atómica. Existe una comunidad internacional de más de 2000 científicos que utilizan estas instalaciones para investigar sobre temas tan variados como la energía limpia y el medioambiente; los medicamentos y las terapias; la nanotectonogía; la ingeniería de materiales y las tecnologías de la información.
  • w3 – Más información sobre el ILL.
  • w4 – EIROforum  es un proyecto de colaboración de las ocho instalaciones internacionales científicos más importantes de Europa, que combinan sus recursos, infraestructuras y conocimiento para ayudar a que la ciencia europea alcance todo su potencial. Como parte de sus acciones de divulgación y es, EIROforum publica Science in School.

Resources

Institution

ILL

Author(s)

Julian Eastoe es profesor de Química en la Universidad de Bristol, Reino Unido, especialista en química de tensoactivos.  Paul Brown es doctorando e investiga sobre nuevos tensoactivos en la Universidad de Bristol. Isabelle Grillo es técnica en el Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia.

Julian Eastoe y Paul Brown propusieron la idea de tensoactivos magnéticos y realizaron experimentos de laboratorio (con la ayuda de la profesora Annette Schmidt de la Universidad de Colonia, Alemania). Isabelle Grillo ha trabajado en la dispersión de neutrones y el análisis de los datos.

Tim Harrison también trabaja en la Universidad de Bristol, como profesor colaborador en la School of Chemistry. Es un puesto para profesores de secundaria creado para tender puentes entre la enseñanza secundaria y la universitaria y para promover el uso de los recursos de la School of Chemistry a nivel regional,  nacional e internacional. Tim publica con frecuencia en Science in School.




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CC-BY-NC-ND