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FÍSICA DE LA MATERIA BLANDA

haber cursado las materias de los 3 primeros años de la carrera de Licenciatura en Física o Licenciatura en Física Médica ¹.

La Física de la Materia Blanda, una especialización dentro de la Física de la Materia Condensada, abarca el estudio de aquellos sistemas fácilmente deformables por pequeños esfuerzos mecánicos o fluctuaciones térmicas alrededor de temperatura ambiente. Estos sistemas, formados por muchas partículas presentan márgenes de estabilidad termodinámica cercanos a kT (originados en un sutil equilibrio entre las contribuciones entálpicas y entrópicas a la energía libre). Esto les confiere una gran “flexibilidad termodinámica” dado que pequeñas variaciones de las variables termodinámicas del sistema inducen sustanciales cambios en la estructura y función de los mismos.

El reconocimiento de la entidad que ha adquirido esta área de la física se refleja en el Premio Nobel de Física 1991 otorgado al Prof. Pierre-Giles DeGennes por sus trabajos en esta área. En su discurso al recibir el premio DeGennes puntualizó dos de los aspectos más importantes, a su entender, de las propiedades de la materia blanda: complejidad y flexibilidad. Es, por su propia naturaleza, un campo interdisciplinario donde convergen técnicas y enfoques teóricos y experimentales procedentes de la Física y la Química. Desde un punto de vista aplicado, los sistemas blandos se han convertido en uno de los tipos de materiales más utilizadas en los últimos 10 años debido a la posibilidad de diseñar propiedades y respuestas específicas así como obtener este tipo de materiales de fuentes naturales renovables.

1. Conceptos y métodos fundamentales

1.1. Introducción a los conceptos fundamentales de la materia blanda

1.1.1. Interacciones moleculares. Van der Waals, Coulomb, Lennard-Jones, Teorías de Gouy-Champman y DLVO
1.1.2. Jerarquías y organización molecular. Estabilidad termodinámica de sistemas blandos
1.1.3. Transiciones de fase y parámetros de orden. Conceptos básicos.
1.1.4. Leyes de escala
1.1.5. Capilaridad y mojado de superficies

1.2. Técnicas de estudio de sistemas blandos

1.2.1. Métodos estructurales. Dispersión de radiación (DLS ², SANS y SAXS ³, Difracción de RX y neutrones. Reflectometría de UV y RX.

2. Aplicaciones seleccionadas

2.1. Polímeros

2.1.1. Conformación espacial de la cadena polimérica

2.1.2. Polímeros en solución. Comportamiento ante distintos tipos de solventes
2.1.3. Polímeros amorfos y cristalinos
2.1.4. Copolímeros. En bloque, en gradiente, al azar. Predicción de propiedades estructurales y comportamiento ante estímulos externos
2.1.5. Dendrímeros, polímeros hiperramificados y estructuras derivadas. Nanogeles
2.1.6. Polielectrolitos en solución y superficies (cepillos moleculares, monocapas autoensambladas, etc.)

2.2. Coloides

2.2.1. Tipos de coloides (soles, geles, espumas, emulsiones, arcillas, etc.)
2.2.2. Forma y tamaño de partículas colídales. Modelos físicos
2.2.3. Interacciones entre partículas coloidales
2.2.4. Estabilidad coloidal y efectos de cosolutos en la estabilidad coloidal

2.3. Moléculas anfifílicas

2.3.1. Tipos de anfifilos
2.3.2. Diagramas de fase de anfifilos. Formación de micelas. Concentración micelar crítica y Temperatura de Kraft. Micelas, vesículas, liposomas, membranas, bicapas
2.3.3. Formación de monocapas. Films de Langmuir-Blodgett (LB). Termodinámica de monocapas. Transferencia de films de LB a sustratos sólidos
2.3.4. Curvatura interfacial y su relación con la estructura

2.4. Cristales líquidos

2.4.1. Tipos de cristales líquidos. Clasificación
2.4.2. Transiciones y diagramas de fase
2.4.3. Parámetros de orden
2.4.4. Propiedades elásticas, ópticas y aplicaciones

2.5. Materia blanda biológica

2.5.1. Membranas lipídicas
2.5.2. Proteínas
2.5.3. Ácidos nucleicos
2.5.4. Ensamblados moleculares
2.5.5. Sistemas biomiméticos. Membranas porosas, filtros activos y rectificadores moleculares, cepillos moleculares responsivos a estímulos (T, pH, p, humedad)

¹ Los alumnos deberán acreditar conocimientos básicos de electromagnetismo y termodinámica (nivel física general de la Licenciatura en Física). La condición de haber cursado en forma completa 2do año asegura además que los alumnos recibieron el curso de Física Macroscópica (Lic. En Física) y de Química I y II (Lic. en Física Médica) lo que contribuye a la comprensión de los conceptos fundamentales de la materia blanda.

² Dispersión dinámica de luz.

³ Dispersión de rayos-X (SAXS) o Neutrones (SANS) a bajo ángulo.

1. “Structured fluids”. T.A.Witten. (Oxford).
2. “Soft Condensed Matter”. R.A.L.Jones (Oxford).
3. “A practical guide to supramolecular chemistry”. P.J.Cragg. (Wiley).
4. “X-Ray scattering of soft-matter”. N.Stribeck. (Springer).
5. “X-ray and Neutron Reflectivity: principles and applications”. J.Daillant and A.Gibaud (Springer).
6. “Structure-Property Relations in Polymers”. M.W.Urban-C.D.Craver (ACS).
7. “Introduction to Soft Matter”. I.W.Hamley. (Wiley).
8. “Block Copolymers in solution: Fundamentals and Applications”. I.W.Hamley (Wiley).
9. “Multilayer Thin Films”. Decher-Schlenoff (VCH)
10. “Fluorescence Correlation Spectroscopy: Theory and Applications”. R.Riegel y ES.Elson. (Springer).
11. “Principles of Fluorescence Spectroscopy”. JR.Lakowikz. (Kluwer Academia).
12. “Circular Dichroism and the Conformational Analysis of Biomolecules”. GD.Fasman. (Plenum Press).
13. “Supramolecular Chemistry”. J.W.Steed and J.L.Atwood. (Wiley).
14. “Core concepts in supramolecular Chemistry and nanochemistry”. J.W.Steed, D.R.Turner and K.J.Wallace. (Wiley).
15. Artículos científicos publicados en revistas específicas (Langmuir, Soft-Matter, J.Chemical Physics, Chemical Physics Letters, Macromolecules, Nano Letters, Small, Physical Review, etc.)