Investigación del Departamento
Ciencias y Técnicas Fisicoquímicas
Investigación del Departamento
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
Mª Alejandra Pastoriza Martínez, Mª Isabel Esteban Pacios, Carmen Sánchez Renamayor
Las lentillas, la gelatina, las partículas superadsorbentes de los pañales y otros muchos materiales bien asentados en nuestro entorno cotidiano, son hidrogeles.
Son polímeros que se hinchan en agua, sin disolverse. Cuando están secos son sólidos rígidos, pero hinchados se comportan como el agua, salvo porque su aspecto es el de un sólido gomoso.
Si deseamos transportar, manejar, eliminar, almacenar, suministrar, o realizar cualquier operación con el agua o una disolución acuosa, puede ser más fácil manipularla en forma sólida por medio de un hidrogel.
Si deseamos convertir un sólido rígido en algo más blando, con superficies no friccionantes pero con estabilidad de forma (piense en una lentilla), también podemos requerir un hidrogel.
Hidrogel seco e hidrogel húmedo
El grado de hinchamiento de un hidrogel en un medio acuoso, depende de la naturaleza química del polímero, de su estructura y de factores externos como la concentración de sales y la acidez del medio acuoso, la presión y la temperatura.
Siguiendo esta línea de investigación, en nuestro grupo se estudian las propiedades mecánicas y de hinchamiento de diversos hidrogeles, su capacidad de purificar aguas contaminadas y su microestructura.
Mª Isabel Esteban Pacios, Carmen Sánchez Renamayor
Los cristales líquidos (CL) son mesofases de la materia, es decir fases intermedias entre un líquido y un sólido. Se trata por tanto de líquidos con cierto orden posicional u orientacional de largo alcance en al menos una dirección espacial. Existen dos grandes familias dentro de los cristales líquidos: Los termotrópicos son aquellos en los que las mesofases se generan por efecto de la temperatura y Los liotrópicos están formados por mezclas de al menos dos sustancias (un mesógeno y un disolvente) y las mesofases se producen por variación de la composición de la mezcla.
Las reacciones de polimerización producen en general sistemas desordenados a nivel supramolecular, aunque se han sintetizado polímeros que tienen propiedades de cristales líquidos y que, por tanto, forman mesofases. Desde hace algunos años ha surgido un reto aún mayor, ¿Sería posible confinar “polímeros comunes” que no sean cristales líquidos en el seno de una estructura ordenada, formada por un medio CL termotrópico o liotrópico?. Se han hecho muchos intentos por disolver polímeros comunes en mesofases termotrópicas, pero, salvo raras excepciones, se suele producir una separación de fases. En el caso de los medios liotrópicos éste es un problema abierto y de gran actividad científica en la actualidad por las siguientes razones; desde el punto de vista fundamental es interesante por su analogía con los medios biológicos. Desde el punto de vista aplicado, es muy atractiva la posibilidad de controlar la estructura de los polímeros en el orden de los nanómetros ya que, por ejemplo, esto permitiría obtener redes de polímero bicontinuas con un diámetro de poro formalmente monodisperso, que podrían ser utilizables por ejemplo, como moldes para la fabricación de materiales cerámicos porosos.
En esta línea se enmarca la investigación que se está realizando en el Departamento. En concreto estudiamos un sistema liotrópico laminar: el AOT (dioctil sulfosuccinato sódico) en agua, investigando como se comporta un polímero hidrofílico, la poli(N,N-dimetilacrilamida) cuando:
- se mezcla en el medio laminar,
- se sintetiza in situ,
- se entrecruza en dicho medio para obtener un hidrogel.
Juan J. Freire
Descripción básica:
Los métodos de simulación numérica en ordenador pueden ser útiles para determinados objetivos:
- cuando no existen teorías adecuadas para describir un determinado fenómeno,
- cuando las teorías presentan una serie de aproximaciones cuya validez es difícil de determinar,
- cuando los fenómenos no son accesibles experimentalmente.
Todos estos casos son muy comunes en el caso de moléculas de gran complejidad como los polímeros, particularmente en el estudio de sus propiedades conformacionales, que requieren complicadas técnicas teóricas de tipo mecano-estadístico. Las simulaciones están siempre condicionadas por el modelo del sistema que se escoge. Así, si se pretende comparar con una teoría determinada el modelo debe sustentarse en las mismas bases. En el caso de simulaciones moleculares de polímeros pueden realizarse simulaciones con modelos que detallan la estructura a nivel atómico o modelos simplificados. Estos últimos pueden llegar a representar la cadena macromolecular mediante una serie de eslabones ideales en los que la descripción atómica se ha perdido completamente. Este último tipo de simulaciones se denominan como mesoscópicas. En el caso de los modelos atómicos, sin embargo, es posible realizar simulaciones detalladas que reciben el nombre de dinámica molecular. En ellas, se utilizan las ecuaciones clásicas del movimiento de los átomos, partiendo de unas coordenadas iniciales y una distribución de equilibrio de velocidades. Estas ecuaciones se resuelven de manera recursiva, a través de una serie de pasos que dan lugar a una trayectoria de coordenadas en función del tiempo. Se eligen pasos suficientemente cortos, para que la resolución de las ecuaciones pueda realizarse suponiendo fuerzas constantes. El tiempo de paso debe ser del orden de los femtosegundos, obteniéndose las propiedades de interés mediante el cálculo de millones de pasos sucesivos.
Problemas abordados (Dinámica Molecular):
- Propiedades conformacionales y fotofísicas del polimetilfenilsiloxano.
Mediante dinámica molecular se ha hecho un detallado estudio conformacional de este tipo de polímeros. La conclusión principal es que, al tender los anillos aromáticos de grupos consecutivos a colocarse con orientaciones apropiadas de mínima energía, estas disposiciones condiciona todas las propiedades conformacionales (mínimos de energía etc.) de manera decisiva, por lo que los modelos habituales para la descripción de estas propiedades (modelo de isómeros rotacionales, etc.) no son de utilidad en este caso, y sólo cabe referirse a los resultados de la simulación.
- Polivinilmetiléter y sus copolímeros dibloque con polimetacrilato de metilo y poliestireno.
La optimización de los parámetros de dinámica molecular ha permitido reproducir adecuadamente el tamaño de estas moléculas. Se han estudiado los efectos de segregación de los dos dibloques en cada caso, caracterizada por una serie de propiedades estructurales. Se pretende relacionar el grado de segregación con el fenómeno de la incompatibilidad o compatibilidad de las mezclas correspondientes a cada caso concreto.
Sistemas mesoscópicos:
Se han estudiado diversas propiedades de equilibrio, transporte y dinámicas de polímeros lineales, ramificados (principalmente en forma de estrella) y copolímeros dibloque mediante otras técnicas de simulación útiles para sistemas mesoscópicos (Monte Carlo, dinámica de Brown). Esta investigación se ha realizado preferentemente en los laboratorios de la Universidad Complutense de Madrid, ver:
Antonio Hernanz Gismero, Jose María Gavira Vallejo
Las espectroscopías Raman e infrarroja son técnicas complementarias de espectroscopía de vibración muy útiles para el estudio de la estructura, dinámica y reactividad de moléculas y cristales, así como para la identificación de compuestos químicos. Desarrollos instrumentales recientes permiten disponer de microscopios Raman confocales e infrarrojos. Con ellos es posible obtener espectros Raman e infrarrojos de materiales heterogéneos con resoluciones laterales y axiales de hasta 1 µm o 20 µm mediante microespectroscopía Raman e infrarroja respectivamente (o simplemente microscopía Raman e infrarroja). El carácter no-destructivo de estas técnicas, así como la disponibilidad de instrumentos portátiles para hacer estudios in situ, han motivado un gran número de aplicaciones, entre otras, en catálisis, ciencia de los materiales (cerámica, recubrimientos, microelectrónica, semiconductores, polímeros, materiales ópticos), medioambiente, geología, biología, medicina, ciencia forense, entornos industriales, industria farmacéutica, materiales del patrimonio cultural, arte y arqueología.
Técnicas de microespectroscopía como las indicadas, junto con otras auxiliares como la microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X, espectroscopías de dispersión de energía de rayos X y fotoelectrónica se emplean en esta línea de investigación para la caracterización de moléculas entrelazadas mecánicamente como los catenanos, la identificación de materiales geológicos, electrónicos, arqueológicos y de estudios forenses. Algunos ejemplos:
Estructura del [2]catenano amidobencílico, su espectro obtenido por microscopía Raman y el calculado mediante métodos de primeros principios cuánticos DFT (C. Romero-Muñiz et al. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 18102-18109).
Microfotografía con luz polarizada de la sección de una pintura prehistórica (Villar del Humo, Cuenca) mostrando su microestratigrafía. La capa de pigmento rojo aparece entre capas de microcristales blancos de oxalato cálcico. La composición de las capas observadas se ha identificado mediante microscopía Raman: (q) cuarzo-α, (w) whewellita, (h) hematites, (g) yeso. (A. Hernanz et al. J. Raman Spectrosc. 2008, 39, 972-984)
Mercedes de la Fuente Rubio, José Luis Martínez-Guitarte
Cada célula, desde una bacteria hasta las neuronas, se enfrenta constantemente a una gran variedad de factores y cambios que amenazan su integridad. Se habla de respuesta celular al estrés para referirse a todas las alteraciones estructurales o funcionales que se produce en las células como consecuencia de la presencia de este amplio abanico de factores externos que ejercen una influencia negativa sobre su desarrollo óptimo. Entre los factores que provocan este estrés celular podemos diferenciar los bióticos (virus, bacterias y, en general, cualquier agente de origen biológico,) y los abióticos, agentes físico-químicos entre los que se encuentran los cambios en la temperatura (estrés térmico), la presencia de agentes tóxicos, la deficiencia de nutrientes, los presencia o aumento de radicales libres (estrés oxidativo) derivados de procesos patológicos o de procesos naturales como el envejecimiento, y un amplio etcétera. De esta forma, el conocimiento de los mecanismos moleculares que rigen la respuesta celular al estrés es de enorme interés y aplicación en una gran diversidad de campos ya que permite conocer las dianas moleculares a las que dirigirse para tratar de mitigar, por ejemplo, los efectos del cambio climático sobre las cosechas o los efectos de las variaciones en las condiciones fisicoquímicas del entorno celular ante una enfermedad. En concreto, esta línea de investigación está integrada dentro de las líneas de trabajo del Grupo de Biología y Toxicología Ambiental de la UNED, dirigido por el profesor José Luis Martínez Guitarte (http://www.biouned.com/investigacion/grupo-de-biologia-y-toxicologia-ambiental/); en este grupo el interés por la respuesta celular al estrés se focaliza en el desarrollo de biomarcardores moleculares de interés medioambiental.
Como puede deducirse del planteamiento anterior, los estudios de la respuesta al estrés celular constituyen un campo de trabajo muy amplio. Dentro de esta línea de investigación centramos nuestros esfuerzos en las siguientes dos áreas:
- Aplicación de métodos computacionales dirigidos principalmente al análisis de datos genómicos y transcriptómicos relacionados con los mecanismos moleculares que subyacen a la respuesta celular al estrés: actualmente, la mayoría de los estudios moleculares sobre la respuesta celular al estrés se centran en estudiar las variaciones en los patrones de expresión génica(transcriptoma), por ser esta la principal acción que tiene lugar a nivel celular bajo condiciones de estrés, y en analizar la consecuencia de estos cambios sobre el proteoma y las demás biomacromoléculas o agregados moleculares. Las claves de estas variaciones las podremos encontrar, en última instancia, reflejadas en el genoma celular, de ahí el interés por estudiar el conjunto de genes codificantes para todas las moléculas implicadas.
- Bioinformática estructural: análisis estructural, predicción de la estructura 3D a partir de la secuencia y, con ello, estudio de la relación estructura-función, de las biomacromoléculas de interés, con el principal objetivo de comprender o mejorar nuestro conocimiento sobre el funcionamiento de las proteínas y moléculas de ARN no codificantes implicadas en la respuesta celular a estrés.
