Nucleation in small volumes and confinement

Resumo

La cristalización en disolución es objeto de interés para una gran variedad de áreas científicas y tecnológicas interdisciplinares, tales como la ciencia de materiales, la investigación farmacéutica, la bioquímica y la biología molecular, o la química-física, entre muchas otras. En todos estos campos, el uso de pequeños volúmenes en la realización de estudios de cristalización viene motivado por cuatro intereses principales: la minimización del consumo de reactivos de alto valor añadido, la simulación de condiciones de cristalización en entornos naturales o biológicos, la localización de los eventos de cristalización en espacios confinados para su estudio, y el propio estudio y aprovechamiento de los efectos que este confinamiento ejerce en la sustancia precipitada. A lo largo de esta tesis hemos investigado la aplicación de pequeños volúmenes en el estudio de la cristalización en diferentes sistemas y sustancias de interés: El capítulo 3, aprovecha las ventajas que ofrecen los pequeños volúmenes para estudiar la nucleación de yeso (CaSO4¿2H2O) a bajas sobresaturaciones y en ausencia de agitación mecánica de la disolución. Aplicando la teoría clásica de la nucleación en su forma íntegra, y con la intención de realizar una comparativa, se han interpretado los datos experimentales obtenidos (para estudios realizados en viales de 100 µL, en las condiciones de sobresaturación y mezcla anteriormente citadas), y se han reinterpretado los resultados experimentales publicados con anterioridad para estudios realizados en grandes volúmenes y mayores sobresaturaciones. En el capítulo 4 se evalúa la precipitación de fosfatos de calcio a partir de disoluciones metaestables a través de dos sistemas diferenciados: en grandes volúmenes, utilizando métodos de descomplejación térmica en batch, y en pequeños volúmenes, en el rango de microlitros, mediante descomplejación por variación de pH, con la ayuda de la ¿seta de cristalización¿ (dispositivo diseñado para realizar experimentos de difusión de vapor en gotas). El propósito de esta evaluación es la de explorar métodos para la obtención de nanopartículas biomiméticas y biocompatibles de apatitos (cuya fórmula estequiométrica para su compuesto modelo ¿ hidroxiapatito ¿ es Ca5(OH)(PO4)3), para su uso en aplicaciones biomédicas. A lo largo del capítulo 5, se aplican distintas técnicas de microfluídica y de microinyección, para investigar los efectos que el confinamiento en nano- y picovolúmenes ejerce en dos sistemas de enorme interés: a) La evaporación de cloruro sódico (NaCl) en nano- y pico-gotas, con la aplicación hacia una mayor comprensión de los mecanismos naturales de cristalización en los pequeños poros y grietas de las rocas y de diferentes materiales de construcción. El estudio nos perimte profundizar en los mecanismos de degradación de las construcciones arquitectónicas, estatuas, y patrimonio cultural en general, expuestos a la intemperie y a la polución. b) La nucleación y transición de fase del carbonato cálcico (CaCO3), en el mismo rango de volúmenes, y a sobresaturaciones medias y altas, debido a su gran interés en muchas aplicaciones industriales y farmacéuticas, así como por su papel protagonista en determinados procesos de biomineralización naturales. Finalmente, el capítulo 6 está dedicado al desarrollo de nuevas tecnologías, enfocadas a la elaboración de estudios de cristalización aplicados que requieren un bajo consumo de reactivos y unas características de diseño especiales. Se han implementado sistemas de detección espectrofotométrica en el diseño de distintos sistemas de microfluídica, mediante el uso de microlentes ópticas e inserción de fibras ópticas. Asimismo, se ha desarrollado un procedimiento de bajo coste para la fabricación de estructuras microfluídicas resistentes a la corrosión por disolventes orgánicos, para su aplicación en estudios de nucleación de pequeña molécula en nanovolúmenes. Este capítulo concluye con algunas perspectivas en relación con la continuación lógica del presente trabajo y, conjuntamente, se presenta el diseño y fabricación de un micro reactor de lecho fijo para reacciones catalíticas enzimáticas, usando como catalizadores cristales entrecruzados de proteína.