Título: Cálculo de Propriedades Físico-químicas de Sistemas Coloidais
Doutorando: Eduardo Rocha de Almeida Lima
Orientadores: Evaristo Chalbaud Biscaia Jr.
Frederico Wanderley Tavares
Sistemas e fenômenos coloidais estão presentes em grande quantidade na
natureza, nos processos de produção de bens de consumo e no cotidiano do ser
humano. Também são de extrema importância os colóides biológicos. O
conhecimento das interações entre partículas coloidais é de fundamental
importância para o entendimento desses sistemas.
Neste trabalho, as interações entre partículas coloidais são estudadas à luz
da teoria de Poisson-Boltzmann (PB). A forma clássica da equação de PB tem sido
amplamente utilizada na literatura para determinar o perfil de concentração de íons
nas proximidades de superfícies carregadas, imersas em solução eletrolítica. A
equação de PB clássica leva em conta somente as interações eletrostáticas, que
desempenham um papel essencial na ciência dos colóides. Contudo, sabe-se que,
em concentrações de interesse dos sistemas biológicos, existem outras interações
importantes, que são desprezadas em tal modelagem. Assim, neste trabalho
utilizou-se uma versão modificada da equação de PB, que leva em conta
interações não eletrostáticas presentes entre os íons e as superfícies coloidais.
Estas interações são específicas para diferentes íons e/ou superfícies, permitindo
assim prever a especificidade iônica verificada experimentalmente em muitos
sistemas.
O método dos volumes finitos foi aplicado para resolver a equação de PB
em coordenadas bi-esféricas. Tais coordenadas permitem abordar duas
geometrias de suma importância para sistemas coloidais: duas esferas (duas
partículas coloidais), e uma esfera e uma placa (geometria relevante para o estudo
de microscópios de força atômica).
A partir dos perfis de potencial e concentração de íons, calculou-se a força
atuante entre as duas partículas. Utilizando o modelo de regulação na superfície,
calculou-se a força entre duas proteínas globulares. Tal modelo permite avaliar a
influência do pH do meio na quantidade de cargas presentes na superfície da
proteína globular. A partir a força de interação entre duas partículas, podem-se
calcular diversas propriedades de sistemas coloidais, como, por exemplo, o
segundo de coeficiente de virial.
Uma forma mais sofisticada de considerar as interações não eletrostáticas é
incluir na equação de PB potenciais iônicos obtidos por simulação molecular,
disponíveis na literatura. Esta técnica foi utilizada para estudar dois sistemas:
água-ar e água-SAM (self assembled monolayer – monocamada auto-estruturada).
Tais potenciais incluem: potenciais de imagem, interações de van der Waals entre
íons, água e substrato, e hidratação iônica. A consideração de eletrólitos mistos
permite analisar a competição entre diferentes íons pela superfície. Esta
competição entre íons pode gerar uma contribuição importante, até o presente
momento desprezada, para bombas iônicas, como a bomba de sódio e potássio.
O método dos volumes finitos mostrou-se extremamente adequado para a
resolução da equação de PB, apresentando baixo custo computacional. Os
resultados obtidos na resolução da forma clássica da equação reproduzem
resultados reportados na literatura e os resultados para a equação modificada
predizem com sucesso a especificidade iônica verificada experimentalmente. A
resolução da equação sem simplificações e em uma geometria adequada permite
obter resultados quantitativamente representativos.