EDUARDO CESARFigueiredo y el ferrofluido: propiedad magnéticaEDUARDO CESAR
Una equipo del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) aprovechó las características de los cristales líquidos – sustancias que se encuentran a mitad camino entre los sólidos cristalinos (cristales) y los líquidos isotrópicos (como el agua) – para producir un equipo de calibrado de precisión de las máquinas de hemodiálisis, de modo tal de hacer más eficiente el filtrado que éstas efectúan en la sangre de las personas con insuficiencia renal. El grupo, coordinado por el profesor Antônio Martins Figueiredo Neto, ya ha efectuado un pedido de patente en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) y espera que algún fabricante se interese en producirlo a escala comercial.
El sistema consiste en inyectar cristal líquido en la manguera por donde debe fluir la sangre y, por medio de una célula óptica, medir las variaciones en la velocidad del fluido. Conocida la velocidad, se puede saber si la máquina está adecuadamente calibrada o no. Actualmente, las máquinas de hemodiálisis son controladas de forma manual e imprecisa, lo que puede dejar que el flujo de sangre vaya muy rápido, excesivamente lento o con variaciones bruscas de velocidad. “El aparato”, dice Figueiredo, “puede verificar la calidad del flujo: es decir, si el circulador de sangre que será testeado provoca variaciones bruscas en el flujo – lo que podría acarrear cambio indeseables en la presión sanguínea -, el aparato puede detectar el problema y sugerir cambios en las partes móviles del circulador para evitarlo”.
Los cristales líquidos – un tipo de fluido complejo – fueron descubiertos en 1888, cuando el botánico austríaco Friedrich Reinitzer estudiaba las propiedades de derivados del colesterol: acetato y benzoato de colesterila. Reinitzer descubrió que estas sustancias, que a temperatura ambiente tenían una apariencia sólida cristalina, cuando son calentadas, se transforman en un fluido lechoso. Prosiguiendo con el calentamiento, volvían a cambiar de apariencia, esta vez tornándose un líquido transparente.
En el benzoato de colesterila, los dos puntos de fusión estaban a 145,5°C y 178,5°C (grados Celsius). “Puesto que el fenómeno podría obedecer a eventuales impurezas del material, Reinitzer le pidió al químico alemán Otto Lehmann que lo sometiera al análisis químico, para descubrir los posibles contaminantes”, narra Figueiredo. “Después de un estudio criterioso, Lehmann arribó a la conclusión de que no había ningún contaminante: los derivados de colesterol eran sustancias puras.”
Fase mesomórfica
¿Cómo explicar entonces su comportamiento? La respuesta llegó en 1922, de la mano del francés George Friedel: la fase lechosa, a la cual denominó mesomórfica, correspondía al hasta entonces desconocido cristal líquido, estado intermedio entre el sólido cristalino y el líquido isotrópico.”Otra característica notable de estos materiales”, dice Figueiredo, “es que reflejan selectivamente la luz blanca. Parte de la radiación es absorbida y parte es reflejada, resultando de ello luces coloridas, que varían con la temperatura”. Fue esa propiedad, análoga a la de los sólidos cristalinos, lo que llevó a Lehmann a darles a los fluidos lechosos el nombre de cristales líquidos. Y fue también lo que llevó a los investigadores de la USP a desarrollar el equipo.
“Los cristales líquidos”, dice Figueiredo, “se agrupan en dos grandes familias: los termotrópicos, cuyas transiciones de fase son regidas por la temperatura, y los liotrópicos, que también pueden cambiar de fase con apropiadas variaciones de concentración y en función de la temperatura”. Los termotrópicos responden por el 99% de las aplicaciones – por ejemplo, mostradores de relojes digitales, pantallas de TV y monitores de computadoras. Pero por ser menos estudiados y por sus especificidades, los liotrópicos atraen más: a ellos se orienta el 60% del trabajo del equipo, que integra el Grupo de Fluidos Complejos del Ifusp.Su proyecto consistió en el uso de técnicas de óptica lineal y no lineal y de radiocristalografía, para estudiar la estructura y las propiedades de los cristales líquidos y de los ferrofluidos – otro tipo de fluido complejo.
“Descubrimos, por ejemplo, que algunos liotrópicos son ópticamente isotrópicos – es decir que tienen las mismas propiedades físicas en todas las direcciones – cuando están en reposo, pero se vuelven anisotrópicos cuando están en movimiento”. De esta manera (en movimiento), su índice de refracción varía, de manera tal que deja pasar más o menos luz, según la velocidad. “Fue en base a esa propiedad que inventamos el dispositivo que permite verificar el funcionamiento de los equipos de hemodiálisis.”
Orientación paralela
Las peculiaridades de los cristales líquidos derivan de la asimetría de sus moléculas. En ciertas condiciones de concentración, presión y temperatura, los ejes moleculares pueden orientarse paralelamente unos hacia otros. Es precisamente este ordenamiento lo que hace que los cristales líquidos se comporten un poco como líquidos y un poco como sólidos cristalinos, y no ser ni una cosa ni la otra independientemente. Ocurre que el conjunto de moléculas de un líquido no presenta ningún tipo de orden de posición, mientras que el conjunto de moléculas de un sólido cristalino tiene un orden posicional. Los cristales líquidos tienen la fluidez de los líquidos comunes y, al mismo tiempo, propiedades ópticas típicas de los sólidos cristalinos.
Los termotrópicos, que cambian de fase con la temperatura, tienen moléculas en forma de bastones, discos o bananas, todas de gran asimetría o, más precisamente, anisotropía de forma. Es esta anisotropía – el hecho de que las moléculas no se distribuyan igualmente en todas las direcciones, como en un líquido común – lo que permite su ordenamiento de orientación. En el caso de los constituyentes básicos de los liotrópicos, que también mudan de fase con ciertas variaciones de concentración y de temperatura, no son formados por moléculas aisladas, sino que son constituidos por agregados moleculares llamados micelas.
Los agregados se forman porque sus moléculas tienen características antagónicas – una región polar y otra apolar. En contacto con un solvente polar como el agua – cujas moléculas tienen un dipolo eléctrico, es decir, cargas positivas y negativas separadas unas de otras -, las micelas tienden a asumir una cierta orientación: por afinidad eléctrica, la región polar se aproxima a la molécula de agua vecina, y la región apolar permanece apartada. A partir de una concentración crítica, las porciones polares se juntan, como en un capullo, dentro del cual las porciones apolares permanecen aisladas del ambiente acuoso. Cada capullo es una micela, y funciona como un blindaje entre las regiones apolares y el agua. “Es lo que ocurre cuando nos lavamos las manos con jabón para eliminar la grasa.
Cuando tenemos grasa en las manos – un material apolar – e intentamos quitárnosla solamente con agua, vemos que es imposible. Cuando utilizamos detergente (cuyas moléculas son anfifílicas, con regiones polares y apolares) y nos refregamos las manos, mezclamos agua, detergente y grasa. Ahora bien, las moléculas de detergente forman superestruturas del tipo micelar (capullos) con la grasa dentro, y son retiradas por el flujo de agua”. A propósito, la clasificación de los cristales líquidos como sustancias puras se aplica a los termotrópicos, pero no a los liotrópicos – que son, de hechos, mezclas con como mínimo dos sustancias: la que compone las micelas y el solvente.
Hierro en líquidos
Otra clase de fluidos complejos estudiada por el grupo son los ferrofluidos, con propiedades magnetoópticas muy interesantes. Ellos fueron inventados en los años 60 en la Nasa, para transportar el combustible desde los tanques hasta los motores de los satélites espaciales. “Los técnicos de la agencia espacial norteamericana produjeron un ingrediente magnético que podía ser disuelto en el combustible. Bastaba entonces aplicar campos magnéticos de baja intensidad para conducir al material de un compartimiento a otro, arrastrando al combustible consigo”, explica Figueiredo.
Para ello, obtuvieron una suspensión coloidal con gránulos de magnetita de cerca de 10 nanómetros, que podía disolverse en el combustible sin que el material magnético se depositara en el fondo del tanque. “Las aplicaciones tecnológicas del producto se diversificaron a posteriori. Actualmente, el mismo es usado, por ejemplo, en la fabricación de pinturas magnéticas que pueden hacer que los aviones se vuelvan invisibles a los radares, sellos rotatorios que protegen a los discos rígidos de las computadoras, y en dispositivos que detectan la inclinación de los aviones.”
El Proyecto
Investigación de Propiedades Ópticas y Mecánicas de los Cristales Líquidos
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Antônio Martins Figueiredo Neto – Instituto de Física de la USP
Inversión
R$ 31.000,00 y US$ 209.400,00
