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GUILHERME AUGUSTO FERREIRA
ESTRUTURAS DE CRISTAIS LÍQUIDOS LAMELARES OBTIDOS PELA ASSOCIAÇÃO DE BROMETOS DE DIALQUILDIMETILAMÔNIO EM SOLUÇÃO
CAMPINAS 2015
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
GUILHERME AUGUSTO FERREIRA
ESTRUTURAS DE CRISTAIS LÍQUIDOS LAMELARES OBTIDOS PELA ASSOCIAÇÃO DE BROMETOS DE DIALQUILDIMETILAMÔNIO EM SOLUÇÃO
ORIENTADOR: PROF. DR. WATSON LOH
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM QUÍMICA NA ÁREA DE FÍSICO-QUÍMICA.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA POR GUILHERME AUGUSTO FERREIRA E ORIENTADA PELO PROF.DR. WATSON LOH
_______________________ Assinatura do Orientador
CAMPINAS 2015
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Não basta conquistar a sabedoria, é preciso usá-la.
Cícero
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Agradecimentos
- Ao Prof. Dr. Watson Loh, pela orientação, pelo projeto de pesquisa a mim confiado e pelos ensinamentos;
- A todos os professores do Instituto de Química da UNICAMP, pela valorosa contribuição à minha formação durante o mestrado e também aos funcionários do IQ pelos excelentes serviços prestados;
- Ao Profs. Drs. Edvaldo Sabadini (IQ-UNICAMP) e Maria Teresa Lamy (IF-USP) e ao Dr. Mateus Cardoso (LNLS) pelas contribuições no exame de qualificação e na defesa da dissertação;
- Ao Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em especial à equipe da linha SAXS1, pelas medidas de SAXS;
- Aos colegas do Laboratório B-145, em especial aos que fazem ou fizeram parte do grupo do Prof. Watson;
- A todos os colegas da pensão da Renata pela convivência e companheirismo;
- A todos os professores do Instituto de Química da Universidade Federal de Goiás (UFG), pela minha formação como Químico Industrial, e em especial a Profa. Dra. Emília Lima, pela orientação e ensinamentos na iniciação científica;
- A todos os colegas de graduação da UFG que, mesmo após o término do curso, continuam com a amizade e companheirismo;
- A todos os colegas do Laboratório de Materiais e Interfaces da UFG, pela companhia durante o trabalho lá desenvolvido e que ainda hoje continua;
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- A minha mãe, Vilma, pelo sacrifício de sua vida em prol da minha, pela educação dada a mim e pelo incentivo e apoio aos meus estudos;
- A minha família, pelo apoio concedido na minha escolha profissional;
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Guilherme Augusto Ferreira
Rua Doutor Ruy Vicente de Mello, 52, Cidade Universitária, Campinas – SP Data de Nascimento: 19/10/1991, Natural de Inhumas – GO
Telefone: 19-995218900 e-mail: guilhermeferreyra@gmail.com
FORMAÇÃO ACADÊMICA
Mestrado em Química (área de Físico-Química)
Universidade Estadual de Campinas (Fev. 2014 – Fev. 2015)
Título: Estruturas de Cristais líquidos lamelares obtidos pela associação de brometos de dialquildimetilamônio em solução
Orientador: Prof. Dr. Watson Loh Agência financiadora: CNPq
Graduação em Química Industrial
Universidade Federal de Goiás (Fev. 2010 – Dez. 2013)
EXPERIÊNCIA PROFISSIONAL
Solocria – Laboratório Agropecuário LTDA, Goiânia – GO (Fev. 2013 – Abr. 2013)
Cargo: Estagiário
Centro de Pesquisas em Alimentos, Goiânia – GO (Ago. 2013 – Dez. 2013)
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ATIVIDADES ACADÊMICAS E CIENTÍFICAS
Iniciação Científica
Título do projeto: Determinação de SH em nanopartículas de ouro e maghemita funcionalizadas com DMSA
Período: 03/2012 – 03/2013
Instituição: Universidade Federal de Goiás
Orientador: Profa. Dra. Emília Celma de Oliveira Lima Modalidade: PIBIC/CNPq
PRODUÇÃO
CIENTÍFICA
REFERENTE
AO
TEMA
DA
DISSERTAÇÃO
Trabalhos publicados e apresentados em anais de congressos
FERREIRA, G. A.; LOH, W. Lamellar liquid crystalline phases based on double chain cationic surfactants in aqueous solutions. In: 4º Encontro sobre estruturas auto-organizadas em soluções e interfaces, São Pedro – SP, 2014.
FERREIRA, G. A.; LOH, W. Structures of lamellar liquid crystals formed by the self-association of double chain cationic surfactants in water. In: 38ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2013, Águas de Lindóia - SP. Anais da 38ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, 2015.
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Resumo
ESTRUTURAS DE CRISTAIS LÍQUIDOS LAMELARES OBTIDOS PELA ASSOCIAÇÃO DE BROMETOS DE DIALQUILDIMETILAMÔNIO EM SOLUÇÃO
Surfactantes são moléculas anfifílicas que, em solução, se organizam dando origem a uma série de estruturas de associação, dentre as quais destacam-se os cristais líquidos. Especialmente os brometos de dialquildimetilamônio se associam formando principalmente estruturas líquido-cristalinas lamelares. Nesse trabalho, foram estudadas as propriedades estruturais de fases lamelares formadas pela auto-organização, em solução aquosa, de dois surfactantes dessa classe: o DDAB (brometo de didodecildimetilamônio) e o DODAB (brometo de dioctadecildimetilamônio). Foi verificado que, nas condições de concentração e temperatura estudadas, ambos os surfactantes, DDAB e DODAB,se associam em duas fases lamelares, Lα e Lβ. Além de formarem diferentes fases lamelares, essas
também apresentaram distintas propriedades estruturais, dependendo do surfactante utilizado. Estudos de calorimetria diferencial de varredura também permitiram acompanhar as transições entre as fases lamelares obtidas causadas por variação da temperatura. As bicamadas formadas pela auto-associação do surfactante DDAB apresentaram um intumescimento menor do que as formadas pelo análogo DODAB, porém, com esse último, houve a formação de bicamadas menos espessas. Misturas preparadas com ambos os surfactantes em diferentes proporções também indicaram a variação das propriedades investigadas, intumescimento e espessura das bicamadas, aumentando o teor de DODAB. A hipótese levantada é que as propriedades estruturais investigadas são fortemente influenciadas pelas forças eletrostáticas atuantes no sistema. A caracterização de amostras formuladas com os surfactantes acima da temperatura de transição para fase fluída e na presença de sal confirmou esta ideia. O maior intumescimento e a pequena espessura das bicamadas formadas pelo DODAB se devem, provavelmente, à interdigitação das cadeias carbônicas e ao efeito de correlação iônica, respectivamente, descritos em mais detalhes nessa dissertação.
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Abstract
STRUCTURES OF LAMELLAR LIQUID CRYSTALS FORMED BY THE SELF-ASSEMBLY OF DIALKYLDIMETHYLAMMONIUM BROMIDES IN SOLUTION
Surfactants are amphiphilic molecules that self-assemble, in solution, giving rise to a number of association structures, among which the liquid crystals stand out. Particularly the dialkyldimethylammonium bromides associate to form mosty lamellar liquid crystalline structures. In this work, we studied the structural properties of lamellar phases formed by self-organization, in aqueous solution, of two surfactants from this class: DDAB (didodecyldimethylammonium bromide) and DODAB (dioctadecyldimethylammonium bromide). We found that under the conditions of concentration and temperature studied, both surfactants, DDAB and DODAB are associated in two lamellar phases, Lα and Lβ. In addition to forming different lamellar phases, these also showed distinct structural properties, depending on the surfactant used. Studies with differential scanning calorimetry also allowed us to follow the transitions between the lamellar phases caused by temperature variation. The bilayers formed by self-association of DDAB showed a lower swelling degree than those formed by DODAB, however, with the later, there was the formation of thinner bilayers. Mixtures prepared with both surfactants in different proportions also indicated the variation of the investigated properties, swelling degree and bilayer thickness, upon increasing the DODAB content. We propose that the structural properties investigated are strongly influenced by electrostatic forces acting on the system. The characterization of samples formulated with surfactants above the transition temperature to the fluid phase and in the presence of salt confirmed this hypothesis. The greater swelling and the small thickness of the bilayers formed by DODAB are most likely due to interdigitation of carbonic chains and ion correlation effects, respectively, described in more details in this dissertation.
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Sumário
Lista de Abreviações ... XVI Lista de Figuras ... XVIII Lista de Tabelas ... XXIII
1 Introdução ... 01
1.1. Surfactantes ... 01
1.2 Auto-associação de surfactantes em solução ... 03
1.3 Formação de estruturas líquido-cristalinas ... 08
1.4 Fases lamelares ... 10
2 Objetivos ... 13
3 Experimental ... 14
3.1 Reagentes ... 14
3.2 Protocolo de preparação das amostras ... 14
3.3 Caracterização das amostras ... 15
3.3.1 Microscopia ótica de luz polarizada ... 15
3.3.2 Difração de raios – X ... 16
3.3.3 Espalhamento de raios – X em baixos ângulos ... 16
3.3.4 Calorimetria diferencial de varredura ... 17
3.3.5 Ressonância magnética nuclear de 2H ... 18
4 Resultados e discussão ... 20
4.1 Estudo do comportamento de fases dos surfactantes DDAB e DODAB em solução aquosa ... 20
xv
4.1.2 DODAB em água ... 31
4.2 Propriedades estruturais de fases lamelares obtidas pela associação dos surfactantes DDAB e DODAB em solução aquosa ... 34
4.3 Caracterização do comportamento de fases das misturas de surfactantes em solução aquosa ... 42
4.4 Interpretação dos resultados obtidos ... 45
5 Conclusões ... 55
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Lista de Abreviações
CMC – Concentração Micelar Crítica
CPP – Critical Packing Parameter (Parâmetro de Empacotamento Crítico)
𝑑 – distância de repetição das bicamadas
𝑑𝐻𝐶 – espessura das bicamadas
𝑑𝑤 – camada de água que separa as bicamadas
DDAB – Brometo de Didodecildimetilamônio
DHDB – Brometo de Dihexadecildimetilamônio
DODAB – Brometo de Dioctadecildimetilamônio
DODAC – Cloreto de Dioctadecildimetilamônio
DRX – Difração de Raios – X
DSC – Calorimetria Diferencial de Varredura
HI – Fase Hexagonal Normal
HII – Fase Hexagonal Invertida
xvii
[Lα] – Domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica
Lα – Fase Lamelar fluida
Lβ – Fase Lamelar gel
MLP – Microscopia Ótica sob Luz Polarizada
q – Vetor de Espalhamento
RMN – 2H – Ressonância Magnética Nuclear de Deutério
SAXS – Espalhamento de Raios – X em baixos ângulos
Tm – Temperatura de transição da fase gel para fase fluida
∆𝑑 – Variação da distância de repetição das bicamadas
∆𝐻 – Variação de Entalpia
𝑣 - Deslocamento Químico em RMN
∆𝑣 – Variação do Deslocamento Químico em RMN
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Lista de Figuras
Figura 1 – Representação de uma molécula de surfactante em solução aquosa - 01
Figura 2 – Esquema de formação de uma micela em solução aquosa --- 03
Figura 3 – Representação esquemática da variação de algumas propriedades das
soluções em função da concentração de surfactante. Adaptado da referência 5 -- 05
Figura 4 – Representação esquemática da relação entre temperatura e solubilidade
de surfactantes em solução --- 06
Figura 5 - Representação de formas de agregados relacionados com as estruturas
das moléculas de surfactante e seus respectivos valores de CPP. Adaptado das referências 1, 2 e 9 --- 07
Figura 6 – Estrutura de algumas fases líquido-cristalinas formadas pela associação
de surfactantes em solução. Adaptado das referências 1, 2, 10-12 --- 09
Figura 7 – Representação de uma fase lamelar indicando a distância de repetição
das bicamadas (𝑑) e a camada de água (𝑑𝑤) que separa as bicamadas. Desenho apenas ilustrativo, fora de escala --- 10
Figura 8 – Estrutura molecular dos surfactantes a) DODAB e b) DDAB --- 11
Figura 9 – Fluxograma da parte experimental envolvida no trabalho --- 19
Figura 10 – Micrografias óticas sob luz polarizada de amostras formuladas com
DDAB nas concentrações de a) 1,0%, b) 1,5%, c) 15,0% e d) 40,0% de surfactante em água --- 20
xix
Figura 11 – Curvas de SAXS a 25º C obtidas para amostras formuladas com DDAB
na faixa de concentração de a) 1,0% a 5,0% e b) 8,0% a 40,0% de surfactante em água. O primeiro pico de espalhamento para cada amostra é indicado por uma seta --- 21
Figura 12 – Curva de SAXS obtida a 25º C para uma amostra formulada com 50,0%
de DDAB em água. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados --- 22
Figura 13 – Difratogramas de raios – X, obtido a 25º C, para duas amostras
formuladas com DDAB em solução aquosa. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados --- 24
Figura 14 – Adaptação do diagrama de fases para o DDAB em água proposto por
Dubois e Zemb14,16. A área hachurada corresponde a região de existência de
pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica --- 25
Figura 15 – Amostras observadas sob luz polarizada: a) água; b) 1,0% DDAB; c)
10,0% DDAB e d) 50,0% de DDAB em água --- 26
Figura 16 – Espectros de RMN de 2H obtidos a 25º C para amostras formuladas
com DDAB --- 27
Figura 17 – Ilustração dos diferentes movimentos moleculares para uma molécula
de DDAB ou DODAB na fase fluida. Wagging representa um movimento em leque abanando. Adaptado da referência 47 --- 28
Figura 18 – Termograma para uma amostra formulada com DDAB a 50,0% em
água, indicando a transição de fase Lβ para fase Lα. Pico para cima se refere a um
xx
Figura 19 – Curva de SAXS obtida a 45º C para uma amostra formulada com DDAB
a 50% em água, com os picos de espalhamento indexados --- 30
Figura 20 – Curvas de SAXS obtidas a 25º C para amostra formulada com a) 10,0%
e b) 50,0% de DODAB em água, com os picos de espalhamento indexados --- 31
Figura 21 – Diagrama de fases para o surfactante DODAC em água. Com relação
às fases de interesse nesse trabalho, tem-se que L representa solução isotrópica e D fase lamelar. Diagrama adaptado da referência 27 --- 32
Figura 22 – Termograma para uma amostra formulada com DODAB a 50,0% em
água, indicando a transição de fase Lβ para fase Lα. Pico para cima se refere a um evento endotérmico --- 33
Figura 23 – Representação assumida nesse trabalho da distância de repetição das
bicamadas (𝑑), camada de água (𝑑𝑤) e espessura das bicamadas (𝑑𝐻𝐶) em uma fase lamelar. Desenho apenas ilustrativo, fora de escala --- 34
Figura 24 – Variação da distância de repetição das bicamadas (𝑑) em função do
inverso da fração volumétrica de surfactante (Ф𝑠−1) para amostras formuladas com
DDAB e DODAB na mesma faixa de concentração --- 36
Figura 25 – Perfil de variação de densidade eletrônica ao longo das bicamadas em
vesículas formadas por DODAB em água. Adaptado da referência 47 --- 38
Figura 26 – Plots de Porod-Kratky para os dados de SAXS obtidos para as amostras
formuladas com a) DODAB e b) DDAB na concentração de 10,0% de surfactante em água --- 39
xxi
Figura 27 – Representação de uma fase Lβ’ com as bicamadas formadas por
cadeias carbônicas inclinadas. 𝜃 representa o ângulo de inclinação das cadeias alquílicas em relação ao plano vertical --- 40
Figura 28 - Distância de repetição das bicamadas (𝑑) em função da fração molar de DODAB (𝑋𝐷𝑂𝐷𝐴𝐵) nas misturas de surfactantes com concentração total de 5,0%
de surfactantes em água. A linha que liga os pontos é uma guia aos olhos --- 42
Figura 29 – Curvas de SAXS para uma mistura com concentração total de 5,0% de
surfactantes, na proporção DDAB:DODAB de 1:1, nas temperaturas de a) 25 e b) 65º C --- 43
Figura 30 – Termograma obtido para uma mistura formulada com 5,0% de
concentração total de surfactante, na proporção de 1:1 de DODAB:DDAB. Pico para cima se refere a um evento endotérmico --- 44
Figura 31 – Esquema da interdigitação das cadeias carbônicas de um surfactante
em bicamadas. Desenho somente representativo, fora de escala --- 46
Figura 32 – Variação da distância de repetição das bicamadas (𝑑) em função do
inverso da fração volumétrica de surfactante (Ф𝑠−1) para algumas amostras formuladas com DODAB a 25º C e 45º C. A espessura das bicamadas (𝑑𝐻𝐶) obtida nas duas temperaturas também é indicada --- 47
Figura 33 – Representação esquemática do modelo do efeito de correlação iônica
para fases lamelares de surfactantes. Desenho somente representativo, fora de escala --- 48
Figura 34 – Esquema representado o intumescimento das bicamadas de uma fase
lamelar de acordo com o modelo do efeito de correlação iônica. Desenho somente representativo, fora de escala --- 49
xxii
Figura 35 – Espectro de RMN de 2H obtido a 25º C para amostra formulada com
15,0% de DODAB em água. O termo água anisotrópica refere-se às moléculas de água orientadas entre as lamelas. Água isotrópica refere-se àquelas moléculas de água que não interagem com as cabeças polares dos surfactantes nas bicamadas --- 50
Figura 36 – Esquema mostrando o arranjo de bicamadas de uma fase lamelar e
pequenos domínios isotrópicos de moléculas de água. Desenho somente representativo, fora de escala --- 51
Figura 37 – Variação da distância de repetição das bicamadas (𝑑) em função do
inverso da fração volumétrica de surfactante (Ф𝑠−1) para algumas amostras
formuladas com DDAB e DODAB na ausência e presença de 1,0% de NaCl --- 52
Figura 38 – Esquema exemplificando as bicamadas formadas pelo DODAB em
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Lista de tabelas
Tabela 1 – Classificação e exemplos de alguns surfactantes --- 02
Tabela 2 – Resultados obtidos na caracterização do comportamento de fases dos
surfactantes DDAB e DODAB em solução aquosa --- 33
Tabela 03 - Espessura das bicamadas, 𝑑𝐻𝐶, obtidas pelo método da extrapolação e do Plot de Porod-Kratky --- 39
Tabela 4 - Variação da distância de repetição e (∆𝑑) e da espessura das bicamadas (𝑑𝐻𝐶) formadas pelos surfactantes DODAB e DDAB na ausência e presença de NaCl
1
1.
Introdução
1.1 Surfactantes
Surfactantes são moléculas anfifílicas que se auto-organizam, quando em solução, dando origem a agregados de diferentes formas. Suas estruturas se caracterizam por apresentar duas regiões distintas: uma parte liofílica, com boa afinidade pelo solvente, e outra parte liofóbica, que não interage bem com o mesmo1,2. No caso do solvente ser a água essas duas regiões são chamadas de
hidrofílica e hidrofóbica, respectivamente, como representado na Figura 1. Essas substâncias também recebem o nome de tensoativos quando atuam diminuindo a tensão superficial ou interfacial dos solventes no qual estão solubilizados, devido à capacidade de adsorção nas interfaces que essas moléculas possuem2.
Figura 1 – Representação de uma molécula de surfactante em solução aquosa.
As moléculas de surfactante podem ser classificadas de acordo com diferentes critérios, como1,2:
- a carga da cabeça polar: podendo ser iônicos ou não-iônicos;
- o tipo de cauda: cadeias saturadas ou insaturadas, linear ou ramificada, etc.;
- pelo seu comportamento em solução aquosa: podendo ser solúveis ou não em água;
- pela sua aplicação tecnológica, onde são classificados como: detergentes, emulsificantes, dispersantes, molhantes, espumantes, etc.
O critério mais utilizado na classificação de moléculas de surfactante se refere a natureza do seu grupo hidrofílico, onde os mesmos são divididos em1,2:
2
- catiônicos, quando possuem a parte hidrofílica formada por um grupo ou átomo carregado positivamente;
- aniônicos, quando possuem a parte hidrofílica com carga negativa;
- zwitteriônicos, quando apresentam em sua estrutura cargas positivas e negativas, que se comportam como aniônicos ou catiônicos, dependendo do pH do meio no qual se encontram;
- e não iônicos ou neutros, quando não possuem carga em sua estrutura mas apresentam uma parte polar que interage bem com a água através de ligações de hidrogênio, principalmente. Alguns exemplos de surfactantes pertencentes a essas classes são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação e exemplos de alguns surfactantes1,2.
Classificação Exemplos
Catiônico
Brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB)
Aniônico
Dodecil sulfato de sódio (SDS)
Zwitteriônico
N-tetradecil-N’N-dimetilamônio-1-propanosulfato (SB3-14)
Neutro
3
Os surfactantes têm um elevado interesse científico, uma vez que originam sistemas auto-organizados (como será discutido adiante) quando em solução, com grande diversidade e variável complexidade. A importância tecnológica e comercial dos surfactantes também é grande, dado o seu uso em diversas aplicações práticas como na indústria cosmética, farmacêutica, alimentar, petrolífera e química em geral (tintas, colas, vernizes, cerâmicas, têxteis, lubrificantes, etc)3.
1.2. Auto-associação de surfactantes em solução
Uma característica comum a todos os surfactantes é a capacidade de agregação em solução a partir de uma determinada concentração, chamada de concentração micelar crítica (CMC). A partir desta, começam a se formar, em solução, agregados estruturalmente organizados, chamados de micelas1,2,4. Essas
micelas são agregados coloidais formados por moléculas de surfactante em equilíbrio com seus unímeros, como mostra a Figura 2. Esses unímeros se rearranjam espontaneamente de forma a adquirirem uma conformação mais estável em solução.
Figura 2 – Esquema de formação de uma micela em solução aquosa.
A concentração micelar crítica possui uma relação direta com a energia livre de micelização. A partir da CMC, os agregados formados passam a existir como uma fase distinta daquela no qual eles estão dispersos (o solvente). Os potenciais químicos do surfactante podem ser descritos pelas seguintes equações1:
4 µ𝑠 = µ𝑠𝑜+ 𝑅𝑇 𝑙𝑛𝑋
𝑠
(1)
µ𝑢 = µ𝑢0 (2)
onde µ𝑢 e µ𝑆 representam o potencial químico dos unímeros do surfactante em
solução e na fase micelar, respectivamente, 𝑅 equivale a constante universal dos gases, T a temperatura e 𝑋𝑆 a fração molar de surfactante em solução aquosa. O
sobrescrito “o” refere-se às mesmas grandezas no estado padrão.
No equilíbrio, os potenciais químicos do surfactante na fase aquosa e na fase micelar se igualam:
µ𝑠 = µ𝑢 = µ𝑢𝑜 = µ𝑠𝑜+ 𝑅𝑇 𝑙𝑛𝑋𝑠 (3)
Rearranjando a equação 3, tem-se que:
𝑙𝑛𝑋𝑠 = µ𝑢𝑜− µ𝑠𝑜
𝑅𝑇 (4)
Na concentração micelar crítica, a fração molar de surfactante em solução aquosa, 𝑋𝑆, é definida como a CMC, expressa em fração molar, 𝑋𝐶𝑀𝐶. Assim, a variação de energia livre padrão do processo de micelização, ∆𝐺𝑚𝑜, é definida como:
∆𝐺𝑚𝑜 = 𝑅𝑇𝑙𝑛𝑋
𝐶𝑀𝐶 (5)
Da segunda lei da termodinâmica, tem-se que:
∆𝐺𝑚𝑜 = ∆𝐻𝑚𝑜 − 𝑇∆𝑆𝑚𝑜 (6)
A partir dessa relação, é possível chegar nos demais parâmetros termodinâmicos para o processo de micelização de surfactantes em solução, a variação de entropia e a variação de entalpia.
5
Do ponto de vista termodinâmico, a força motriz que governa esse fenômeno de auto-associação é a variação entrópica positiva causada pelo aumento dos graus de liberdade das moléculas de água. Uma vez que um unímero do surfactante se transfere para a micela, as moléculas de água que estavam estruturalmente organizadas na forma de clusters, para evitar as interações com a cauda hidrofóbica, são liberadas para o meio, justificando o aumento da entropia5,6.
O efeito hidrofóbico, que expressa a tendência da molécula de surfactante em reduzir o contato de sua cadeia alquílica com a água, segregando sua parte hidrofóbica no interior da micela, desempenha importante papel na formação dos agregados. Outros fatores também influem, com menor peso, na estabilização dos agregados, como as ligações de hidrogênio e forças de van der Waals6.
A auto-associação de surfactantes provoca grandes alterações no seio da solução e na sua superfície1,2,4. Uma série de propriedades são afetadas, como a
pressão osmótica, a tensão superficial, a turbidez e a condutividade. Essas alterações nas propriedades podem ser medidas experimentalmente e estão ilustradas genericamente na Figura 3.
Figura 3 – Representação esquemática da variação de algumas propriedades das
6
Além da concentração, a temperatura também desempenha um importante papel no comportamento das moléculas anfifílicas. Embora a solubilidade dos surfactantes aumente com a temperatura, verifica-se que para temperaturas inferiores ao ponto Krafft alguns destes são pouco solúveis em água. O ponto Krafft equivale à temperatura na qual a solubilidade do surfactante é igual a sua CMC2,7,8.
Sendo assim, somente quando a temperatura de micelização é superior ao ponto Krafft e a concentração é maior que a CMC é que ocorre a formação de agregados micelares em solução, conforme esquematizado na Figura 4.
Figura 4 – Representação esquemática da relação entre temperatura e solubilidade
de surfactantes em solução.
Os agregados formados pela auto-associação dos surfactantes em solução podem apresentar diferentes formas, dependendo da estrutura da molécula de tensoativo. Para relacionar a estrutura molecular dos surfactantes com a forma dos agregados formados, Israelachvili e colaboradores9 propuseram o fator de
empacotamento crítico (CPP, do inglês, Critical Packing Parameter), que pode ser calculado pela equação 7:
𝐶𝑃𝑃 = 𝑣
7
sendo 𝑣 igual ao volume da(s) cauda(s) carbônica(s) do surfactante, 𝑙 o comprimento da parte hidrofóbica e 𝑎𝑜 a área do grupo polar na molécula. A Figura
5 representa a relação entre os valores de CPP, as geometrias das moléculas de surfactante e a forma de alguns agregados em solução1,2,9. Outros fatores como
temperatura, concentração de surfactante e presença de cossolutos também influenciam na forma dos agregados.
Figura 5 - Representação de formas de agregados relacionados com as estruturas
das moléculas de surfactante e seus respectivos valores de CPP. Adaptado das referências 1, 2 e 9.
8
1.3. Formação de estruturas líquido-cristalinas
Quando há uma elevada concentração de unímeros do surfactante em solução, estes começam a se associar e se estruturar dando origem a fases líquido-cristalinas, os chamados cristais líquidos. Essas fases, termodinamicamente estáveis, possuem o arranjo ordenado dos sólidos, ainda que com ordem em menor alcance, porém a mobilidade dos líquidos1,2.
Os cristais líquidos podem ser classificados como termotrópicos, onde o arranjo molecular é influenciado pela temperatura, e como liotrópicos, onde o indutor das mesofases é a quantidade de solvente. As estruturas líquido-cristalinas formadas pela associação de surfactantes em solução são classificadas como liotrópicas, já que a concentração do solvente (ou da molécula anfifílica) é a que induz transições de fases10,11,12.
Dependendo das condições impostas ao sistema (concentração, pH, força iônica, dentre outras) e, principalmente, da estrutura da molécula de surfactante, como já mencionado anteriormente, essas fases líquido-cristalinas podem apresentar diferentes formas, sendo as mais comuns a hexagonal, a lamelar e a cúbica1,2,10-12:
- a fase hexagonal é formada por arranjos ordenados de micelas em forma de longos cilindros. O arranjo dessas micelas nos cilindros pode ser normal (fase hexagonal HI), onde os grupos polares dos surfactantes estão voltados para a parte
externa da estrutura, ou então reverso (fase hexagonal HII), onde os grupos
hidrofílicos estão no interior dos cilindros;
- a fase lamelar é formada por camadas paralelas e planas de bicamadas de surfactante separadas por camadas de solvente, formando uma rede unidimensional;
- a fase cúbica é caracterizada por se constituir de micelas esféricas, que se arranjam formando unidades do tipo Pm3n, dando origem a fase cúbica normal. Existe também a fase cúbica bicontínua, uma estrutura porosa formada por micelas cilíndricas ou bicamadas em três dimensões e a fase cúbica de corpo centrado.
9
Um esquema simplificado da estrutura dessas três fases líquido-cristalinas é apresentado na Figura 6.
Figura 6 – Estrutura de algumas fases líquido-cristalinas formadas pela associação
10
1.4. Fases lamelares
O arranjo de bicamadas de moléculas anfifílicas separadas por camadas de solvente já é bastante conhecido em sistemas do tipo fosfolipídios/água13. Também
é sabido da literatura13-17 que os surfactantes catiônicos dialquila, aqueles formados
por duas cadeias carbônicas, geralmente, formam agregados com curvatura próxima de zero, associando-se em bicamadas. O conjunto dessas bicamadas separadas por camadas de solvente dá origem às fases lamelares, conforme esquematizado na Figura 7. As distâncias apresentadas nesse esquema serão discutidas em detalhes mais adiante.
Figura 7 – Representação de uma fase lamelar indicando a distância de repetição
das bicamadas (𝑑) e a camada de água (𝑑𝑤) que separa as bicamadas. Desenho apenas ilustrativo, fora de escala.
Nas últimas décadas, muitos trabalhos se dedicaram à investigação do comportamento de fases de surfactantes com duas cadeias carbônicas em solução aquosa. Dentre esses surfactantes, destacam-se os brometos de dialquildimetilamônio13-27. O DODAB (brometo de dioctadecildimetilamônio) é um
surfactante catiônico com duas caudas que se enquadra nessa classe e tem apresentado grande uso em estudos fundamentais em ciência coloidal e entendimento do comportamento de membranas, desde que sua associação em vesículas foi descrita pela primeira vez18. Quando disperso em água, as moléculas
11
desse surfactante se auto-associam em agregados, como vesículas, em baixas concentrações, e fases lamelares líquido-cristalinas, em concentrações mais elevadas18-22.
Para esse surfactante em água, duas fases lamelares são descritas à temperatura ambiente19, aqui chamadas de fases Lα e Lβ. Essas fases diferem entre
si pela organização das cadeias carbônicas nas bicamadas. Na primeira, as cadeias estão mais fluidas, se comportando como um hidrocarboneto líquido, enquanto que na segunda, essas cadeias estão mais empacotadas, dando origem a bicamadas mais rígidas13. A presença de fase lamelar também foi verificada para o análogo
DODAC (cloreto de dioctadecildimetilamônio), sem discussões mais detalhadas sobre o tipo de fase lamelar formada27.
O brometo de didodecildimetilamônio (DDAB) é outro surfactante pertencente à classe de anfifílicos estudados nessa dissertação que também apresenta grande interesse científico. Diversos trabalhos da literatura14,16,24,25 reportaram o diagrama
de fases para esse surfactante em água, também indicando a formação de fases lamelares líquido-cristalinas. A Figura 8 apresenta a estrutura molecular dos dois surfactantes investigados nessa dissertação.
Figura 8 – Estrutura molecular dos surfactantes a) DODAB e b) DDAB.
Em recente trabalho do grupo de pesquisa28, foi estudada a relação entre as
estruturas de associação de um surfactante catiônico dialquila em água e as propriedades macroscópicas das formulações obtidas. Para tal, foram estudadas amostras preparadas a partir de um produto comercial composto, majoritariamente, por DODAC, em água. No estudo realizado foi possível observar a coexistência de duas fases lamelares, Lα e Lβ, mediante variação da concentração e temperatura.
Foi verificado um grande intumescimento das bicamadas que compõem as fases lamelares com adição de água, fato que foge aos resultados apresentados
12
por outros trabalhos na literatura para diversos surfactantes, que mostram que a distância entre as lamelas aumenta até determinado patamar de adição de água quando, a partir deste, passa a ser constante.
Outro fato inusitado encontrado no trabalho foi que a espessura das bicamadas formadas na fase lamelar era inferior ao reportado na literatura para análogos do surfactante utilizado. Resultados semelhantes foram encontrados por Haas e colaboradores29 e Ryhanen e colaboradores30, que estudaram as
propriedades de fases lamelares formadas pela associação de alguns brometos de dialquildimetilamônio em água.
Do exposto, percebeu-se a necessidade de estudos mais aprofundados nesses sistemas coloidais formados pelos surfactantes com duas cadeias carbônicas em solução aquosa. Esses estudos permitiriam obter informações sobre o comportamento de fases desses surfactantes numa ampla faixa de concentração e temperatura e estudar as propriedades estruturais das fases líquido-cristalinas obtidas.
13
2.
Objetivos
O objetivo deste trabalho foi obter informações para a caracterização das propriedades estruturais de fases lamelares obtidas pelo processo de auto-associação dos surfactantes catiônicos dialquila DDAB e DODAB em solução aquosa, para isso avaliando o efeito do tamanho das cadeias carbônicas dos surfactantes.
Obter informações sobre o comportamento de fases dos anfifílicos também foi alvo desse trabalho, no sentido de:
- verificar as faixas de concentrações onde ocorrem a formação de diferentes fases lamelares;
- verificar a faixa de temperatura no qual ocorrem transições de fases lamelares e de outras fases líquido-cristalinas;
- identificar as estruturas de associação formadas por misturas de surfactantes com tamanho de cadeias carbônicas diferentes.
14
3. Experimental
3.1. Reagentes
Os surfactantes utilizados neste trabalho foram o brometo de dioctadecildimetilamônio (DODAB) e o brometo de didodecildimetilamônio (DDAB), com pureza > 98%, ambos fornecidos pela Sigma-Aldrich (EUA), que foram utilizados assim como recebidos, sem purificação prévia. Cloreto de sódio (NaCl), grau P.A., foi adquirido da Synth (Brasil). Óxido de deutério (D2O) também foi
adquirido da Sigma-Aldrich, contendo > 99,9% de pureza em átomos de D. Para o preparo das amostras, foi utilizada água purificada por um sistema Milli-Q®, com
membrana de porosidade de 0,2 μm e resistividade da água igual a 18,2 MΩ.cm-1.
3.2. Protocolo de preparação das amostras
As amostras formuladas com o surfactante DDAB foram preparadas pesando-se as quantidades apropriadas do anfifílico e adicionando-se água suficiente para atingir a concentração desejada, que variou entre 1,0 a 85,0% em massa. Após a adição de água, o sistema permaneceu sob agitação mecânica (com o auxílio de um agitador com pás em formato de dupla-hélice) a 2000 rpm durante 30 minutos, em temperatura ambiente. Por fim, as amostras foram centrifugadas a 5000 rpm também por 30 minutos e 25º C para remoção das bolhas de ar formadas durante a agitação.
No preparo das amostras formuladas com o surfactante DODAB, foi utilizado o mesmo protocolo descrito acima porém fundindo-se o surfactante em estufa a 60º C antes da pesagem e diluição com água. Essa etapa extra de fusão foi necessária pelo fato de que o DODAB apresenta temperatura Krafft de 41º C, sendo insolúvel em água abaixo dessa temperatura. O surfactante DDAB tem temperatura Krafft de 16º C, sendo solúvel em água na temperatura ambiente.
Na formulação daquelas amostras preparadas em temperaturas acima da ambiente, foi utilizada chapa aquecedora com controle de temperatura por termopar
15
em contato com a amostra. A mistura ficou em repouso por 5 minutos na temperatura de trabalho para atingir o equilíbrio térmico antes de iniciar o processo de agitação.
Todas as amostras foram deixadas por trinta dias em banho termostatizado na mesma temperatura em que foram formuladas para o equilíbrio térmico antes da caracterização das mesmas. O estudo do comportamento de fases em todas as amostras foi feito por microscopia ótica sob luz polarizada, difração de raios – X, espalhamento de raios – X a baixos ângulos, ressonância magnética nuclear de 2H
(deutério) e calorimetria diferencial de varredura, como descrito no tópico a seguir.
3.3.
Caracterização das amostras
3.3.1. Microscopia ótica sob luz polarizada (MLP)
Os cristais líquidos de fase lamelar e hexagonal são espécies anisotrópicas e possuem a propriedade de refringir a luz polarizada apresentando birrefringência, sendo por esse motivo possível identificar suas estruturas através do microscópio óptico com luz polarizada11,12. A microscopia sob luz polarizada é baseada num
campo elétrico de raio luminoso polarizado que uma substância birrefringente é capaz de provocar.
O comportamento de uma substância em relação ao efeito que causa na luz polarizada pode ser classificado como anisotrópico ou isotrópico. Se a substância permitir a passagem da luz polarizada sem modificação da sua propagação, tem-se a propriedade de isotropia, exemplo desses sistemas são os micelares e as fases cúbicas. Se a luz polarizada sofrer algum tipo de orientação então o efeito é o de anisotropia e pelo padrão de birrefringência (texturas das fases) é possível distinguir o tipo de fase em hexagonal ou lamelar, conforme descrito na literatura12,16,24,25.
Para a caracterização das formulações por MLP, uma gota de cada amostra foi depositada em uma lâmina de vidro, que foi coberta com uma lamínula. As análises foram feitas num microscópio ótico Eclipse E-800 Nikon equipado com uma
16
câmera CCD Nikon, onde as micrografias foram registradas com o auxílio do software Image Pro-Plus.
3.3.2. Difração de raios – X (DRX)
A técnica de difração de raios – X é um importante método para a determinação estrutural possibilitando verificar as posições dos átomos e íons que constituem uma fase ordenada31. A difração é equivalente à reflexão por dois planos
paralelos adjacentes separados por uma distância 𝑑 e o ângulo de interferência construtiva entre ondas de comprimento 𝜆 é dado pela equação de Bragg:
𝜆 = 2𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃 (8)
onde 𝜆 é o comprimento de onda da radiação, 𝑑 é a distância entre os planos cristalinos e 𝜃 é o ângulo de reflexão desses planos32.
Neste trabalho, a técnica de DRX foi usada com o objetivo de se constatar a organização das fases lamelares formadas pela associação dos surfactantes em água, para se verificar a presença da fase Lβ através de picos de difração
característicos da mesma, como descrito na literatura33. Para tal estudo, foi utilizado
um difratômetro Shimadzu XRD – 7000, operando com fonte de radiação do Cu (Kα
= 1,5406 Å), com voltagem de aceleração do tubo de emissão de cobre igual a 40 kV, na região de 2θ = 1,4 a 35º, numa velocidade de varredura de 2º.min-1.
3.3.3. Espalhamento de raios – X a baixos ângulos (SAXS)
A técnica de espalhamento de raios – X a baixos ângulos (SAXS, do inglês small angle X – ray scattering) é bastante utilizada na caracterização de diversos sistemas nanoestruturados, pois através dela é possível avaliar a estrutura de objetos espalhadores mesmo que não estejam altamente organizados, além da faixa de dimensões mensuráveis por difração de raios – X34,35. Os dados de SAXS
17
são apresentados como intensidade, 𝐼, em função do vetor de espalhamento, 𝑞, definido como:
𝑞 =4𝜋
𝜆 𝑠𝑒𝑛𝜃 (9)
sendo o 𝜆 é o comprimento de onda da radiação, e o 𝜃 é o ângulo entre a onda incidente e a espalhada.
A estrutura das fases líquido-cristalinas formadas pela auto-associação dos surfactantes em solução aquosa é determinada pela posição dos picos de espalhamento dos raios – X, que, para fases lamelares, satisfazem a equação:
𝑞 = 𝑛2𝜋
𝑑
(10)
com 𝑛 = 1, 2, 3,... Para fases hexagonais, 𝑛 possui valores de 1, √3, √4, etc. Ainda para as fases lamelares, é possível calcular a distância de repetição das bicamadas, 𝑑, utilizando-se a equação 10, com base no valor de 𝑞 do primeiro pico de espalhamento das curvas de SAXS34.
As medidas de SAXS foram realizadas na linha SAXS1 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). As amostras foram posicionadas em uma cela com janela de mica com controle de temperatura. O comprimento de onda da radiação utilizado foi de 1,550 Å. As imagens obtidas foram integradas com o software Fit2D, subtraindo-se o sinal de espalhamento do solvente, quando necessário, para obter as curvas de intensidade em função do vetor de espalhamento (𝑞).
3.3.4. Calorimetria diferencial de varredura (DSC)
A calorimetria diferencial de varredura é a técnica termoanalítica na qual as variações de calor da amostra são registradas em relação a uma referência enquanto ambos são submetidos a um programa controlado de temperatura.
18
Qualquer evento que provoque variações de calor na amostra pode ser detectado pela técnica, gerando uma diferença de temperatura entre as celas de amostra e referência. A potência requerida para igualar a temperatura das duas celas é medida e convertida em capacidade calorífica, 𝐶𝑝, dando origem a um pico endotérmico ou exotérmico, dependendo do evento, no termograma obtido36,37. A partir da área do
pico registrado é possível encontrar o valor da variação de entalpia referente ao evento térmico. De posse do valor da variação da entalpia de transição pode-se então identificar qual o evento ocorrido com base em dados da literatura.
Neste estudo, foram realizadas análises de DSC para verificar possíveis transições entre fases líquido-cristalinas com a temperatura. Para tal, foi utilizado um calorímetro Microcal VP-DSC, empregando-se 0,542 mL de amostra nas análises, que foram realizadas na faixa de temperatura de 10 a 80º C. A taxa de aquecimento foi de 10,0o C.h-1, sem tempo de pré-scan. Foram obtidas somente as
curvas de aquecimento.
3.3.5. Ressonância Magnética Nuclear de deutério (RMN – 2H)
A técnica de ressonância magnética nuclear de deutério é bastante útil no estudo de sistemas anisotrópicos e tem ganhado destaque na investigação da auto-associação de surfactantes em fases lamelares38-40. Quando os núcleos de deutério
são expostos a um campo magnético externo, o espectro de RMN depende da interação entre o momento quadrupolo do deutério e os gradientes de campo externo ao redor desses núcleos.
Para soluções isotrópicas (sem ordenamento estrutural) as propriedades são as mesmas em todas as direções e essa interação é aproximada a zero, resultando num único pico no espectro de RMN. Em soluções anisotrópicas (como a fase lamelar), as propriedades mudam com a direção, fazendo com que haja a interação, promovendo o desdobramento do pico de 2H no espectro de RMN, de acordo com
a equação a seguir39,40:
∆𝑣 = 3
4 𝛿(𝑐𝑜𝑠
19
onde ∆𝑣 equivale ao desdobramento do pico, 𝜃 é o ângulo entre o vetor diretor e o campo magnético e δ é a constante de acoplamento quadrupolo do deutério. Os espectros de RMN de 2H foram obtidos para as amostras acondicionadas
em tubos de 5 mm e enriquecidas com 10% (em volume) de D2O, utilizando-se um
espectrômetro Bruker DMX operando a 500 MHz.
Todas as medidas foram realizadas em triplicata, com exceção da microscopia ótica sob luz polarizada. Os dados obtidos por DRX, SAXS, RMN e DSC foram tratados com o auxílio do software Origin® Versão 8.0. Um fluxograma resumindo a
parte experimental desse trabalho é apresentado na Figura 9, a seguir.
20
4.
Resultados e discussão
4.1. Estudo do comportamento de fases dos surfactantes DDAB
e DODAB em solução aquosa
A primeira parte do trabalho foi voltada para o levantamento de informações sobre o comportamento de fases dos surfactantes estudados em solução aquosa. Para tal, foram preparadas e caracterizadas amostras formuladas com ambos os anfifílicos na faixa de concentração de 1,0 a 85,0% em massa, onde os resultados obtidos serão apresentados a seguir.
4.1.1. DDAB em água
As micrografias sob luz polarizada obtidas para as amostras preparadas com o surfactante DDAB, apresentadas na Figura 10, mostram que, com o aumento da concentração de surfactante, há uma transição de uma fase isotrópica (não birrefringente) para uma fase altamente birrefringente apresentando, nas amostras mais concentradas, a presença de cruzes de malta, características de fase lamelar24,41-43. Pelas micrografias é possível observar também que mesmo as
amostras com menor concentração de surfactante apresentam birrefringência, indicando a presença de pequenos domínios cristalinos imersos em solução isotrópica (Figura 10b)).
Figura 10 – Micrografias sob luz polarizada de amostras formuladas com DDAB nas
21
Para avaliar as estruturas de associação formadas pelos surfactantes em solução e como estas variam com a concentração, foram utilizadas as técnicas de espalhamento e difração de raios - X. As curvas de SAXS obtidas para as amostras formuladas com baixa concentração de DDAB (3,0%-40,0%) são apresentadas na Figura 11a. Pela análise dessas curvas de SAXS, é possível observar, a partir da concentração de 3,0% de DDAB em água, um padrão de espalhamento típico de fase lamelar, com 𝑛 (razão entre os picos de espalhamento) igual a 1, 2, 3, etc., conforme calculado pela equação 10.
Ainda observando as curvas de SAXS, é possível notar que aumentando a concentração de surfactante nas amostras, o primeiro pico de espalhamento (indicado pelas setas na Figura 11) é deslocado para faixas de 𝑞 maiores. Isso pode ser explicado analisando-se a equação 10, apresentada na página 18, que mostra uma relação inversamente proporcional entre distância de repetição das bicamadas (𝑑) e vetor de espalhamento (𝑞). Aumentando a concentração de surfactante nas amostras leva à retirada de água dentre as bicamadas, o que diminui a distância entre as lamelas e desloca o primeiro pico de espalhamento referente à fase lamelar para faixas de 𝑞 maiores.
Figura 11 – Curvas de SAXS a 25º C obtidas para amostras formuladas com DDAB
na faixa de concentração de a) 1,0% a 5,0% e b) 8,0% a 40,0% de surfactante em água. O primeiro pico de espalhamento para cada amostra é indicado por uma seta.
0,01 0,1 10-4 10-3 10-2 10-1 a) lo g I ( q ) / u .a . log q / nm-1 1,0% 3,0% 3,5% 4,0% 4,5% 5,0% 0,1 1 10-4 10-3 10-2 10-1 b) lo g I (q ) / u .a . log q / nm-1 8,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0%
22
Nas amostras com concentração de DDAB variando entre 40,0 e 85,0%, as curvas de SAXS indicaram presença de duas fases lamelares distintas, como exemplificado pela Figura 12, obtida para uma amostra com 50,0% de DDAB em água, que mostra duas sequências de picos de espalhamento. Analisando-se essa curva de SAXS ainda é possível notar maior ordem nos picos de espalhamento, se comparando aquelas referentes às amostras mais diluídas (Figura 11), o que é um indicativo de um sistema mais organizado, composto por bicamadas mais rígidas, conforme interpretado levando-se em consideração o fator estrutura.
Figura 12 – Curva de SAXS obtida a 25º C para uma amostra formulada com 50,0%
de DDAB em água. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados.
Para fases lamelares, a intensidade da radiação espalhada (𝐼(𝑞)) em função do vetor de espalhamento (𝑞) é dada pela convolução do fator de forma (𝐹(𝑞)) e do fator de estrutura (𝑆(𝑞)), como mostra a equação 12. O fator de forma descreve cada subunidade espalhadora, nesse caso, as bicamadas, enquanto que o fator estrutura está relacionado à organização das mesmas no sistema44.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 10-3 10-2 1a fase lamelar 2a fase lamelar lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
23 𝐼(𝑞) = 𝑆(𝑞) 𝐹(𝑞)2
𝑞2 (12)
O fator estrutura é uma função matemática que relaciona, dentre outros termos, o Parâmetro de Caillé (ɳ), que está ligado aos módulos de compressibilidade da fase lamelar (𝐵) e de rigidez das bicamadas (𝐾) como mostra a equação 13:
ɳ = 𝜋 𝐾𝐵 𝑇
8 𝜋 √𝐾𝐵 (13)
onde 𝐾𝐵 é a constante de Boltzman e 𝑇 a temperatura34,44.
O Parâmetro de Caillé pode ser entendido como uma medida da flexibilidade das bicamadas. Aumentar esse parâmetro leva ao decaimento e alargamento dos picos de espalhamento, e difração, de fases lamelares34. Considerando essa
interpretação qualitativa com base no fator estrutura, chegou-se à conclusão de que as curvas de SAXS das amostras de 3,0% a 40,0% de DDAB em água indicam a presença de uma fase lamelar desordenada, como a fase Lα, enquanto que àquelas
referentes as concentrações acima de 40,0% se referem à uma fase lamelar mais ordenada, formada por bicamadas mais rígidas, como a fase Lβ.
Para avaliar a hipótese, foram realizados experimentos de difração de raios – X de amostras diluídas e concentradas com a finalidade de se identificar as diferentes fases lamelares indicadas pelos dados de SAXS. Os difratogramas apresentados na Figura 13 indicam, para a amostra com concentração de 50,0% de DDAB em água, a presença de um pico de difração cuja distância calculada pela lei de Bragg é de 0,42 nm. Essa é a distância de correlação média entre as cadeias carbônicas característica da fase gel (Lβ)33,45, confirmando a presença dessa fase
nas amostras mais concentradas. A presença de um pico nos difratogramas com distância de 2,70 nm foi atribuído a presença da fase Lα, conforme trabalho anterior do grupo28.
24
Figura 13 – Difratogramas de raios – X, obtido a 25º C, para duas amostras
formuladas com DDAB em solução aquosa. Os picos referentes as duas fases lamelares estão indexados.
Como mencionado na introdução, alguns diagramas de fases para o DDAB em água são encontrados na literatura. Dubois e Zemb14,16 sugerem, para esse
sistema, a presença de três fases lamelares diferentes. A fase [Lα], composta por
pequenos domínios de bicamadas desordenadas imersas em solução isotrópica, a fase Lα, que consiste num sistema bifásico composto por uma fase lamelar fluida
colapsada e excesso de água, e a fase Lβ, também conhecida como fase gel. O
diagrama de fases proposto pelos autores é apresentado na Figura 14. Uma sequência semelhante de fases lamelares também foi proposta por Caboi e Monduzzi24, que utilizaram os termos Lα1, Lα2 e Lβ para nomear as mesmas fases
descritas anteriormente, e por Marques e colaboradores26.
Com bases nessas informações e nos dados obtidos, sugere-se para o surfactante DDAB em água a presença de três fases lamelares em diferentes faixas de concentração. De 1,0% a 3,0% de surfactante foi verificado a presença de pequenos domínios de fases lamelares em solução isotrópica. Isso pode ser constatado pela observação das amostras sob luz polarizada (Figura 15b)) que
5 10 15 20 25 30 35 0 L L In te n s id a d e / u .a .
2
/
o 5,0% 50,0%25
indicam algumas estruturas líquido-cristalinas birrefringentes em água. A presença dessa fase também foi atribuída pela falta de picos no DRX, o que indica ausência de alguma ordem estrutural em curtas distâncias.
Figura 14 – Adaptação do diagrama de fases para o DDAB em água proposto por
Dubois e Zemb14,16. A área hachurada corresponde a região de existência de
pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica ([Lα]).
Na concentração de 3,0% a 40,0% de surfactante em água, sugere-se a presença da fase Lα coexistindo com solução isotrópica. A atribuição da fase Lα foi feita com bases nos dados de SAXS, DRX e MLP, como discutido, e a presença de solução isotrópica foi feita pela observação das amostras quando expostas à luz polarizada (Figura 15c)). As imagens indicam um sistema bifásico, formado por uma fase birrefringente mais densa (os cristais líquidos lamelares) e uma fase isotrópica no topo (excesso de solvente), conforme descrito na literatura para o DDAB nessa faixa de concentração14,16,43.
26
Figura 15 – Amostras observadas sob luz polarizada: a) água; b) 1,0% DDAB; c)
10,0% DDAB e d) 50,0% de DDAB em água.
Por fim, nas amostras com concentração variando entre 40,0% e 85,0% de DDAB em água foi atribuída a presença das duas fases lamelares, coexistindo mutuamente, Lα e Lβ pelo padrão de espalhamento observado nas curvas de SAXS
(Figura 12) e pela presença dos picos de difração característicos dessas fases (Figura 13). A coexistência dessas duas fases também foi atribuída pelo padrão de birrefringência das amostras (Figura 15d)), que indica a presença de uma fase gel no topo e uma fase líquido-cristalina mais rica em água e, portanto, mais densa, embaixo.
As amostras formuladas com o surfactante DDAB também foram caracterizadas por espectroscopia de RMN de 2H. Os espectros obtidos para
algumas amostras selecionadas são apresentados na Figura 16. É possível observar a presença de um pico desdobrado, ou dubleto, nos espectros das amostras que apresentam fase lamelar (conforme constatado por experimentos de SAXS), onde o desdobramento desse pico é proporcional à concentração de surfactante nas amostras, o que já é descrito na literatura38-40.
Isso pode ser explicado levando-se em consideração que o desdobramento desse pico está relacionado com a amplitude de interação das moléculas de água com as cabeças polares dos surfactantes, como representado na equação a seguir46:
∆𝑣 = 𝑛. 𝑣𝑞. 𝑆(𝑋𝑠
27
onde ∆𝑣 é o desdobramento do pico, 𝑛 o grau de interação das moléculas de água com os grupos polares do surfactante, 𝑣𝑞 é a constante de acoplamento quadrupolar
do deutério, S é o grau de ordenamento das moléculas de água que interagem com as cabeças polares do surfactante e 𝑋𝑠 e 𝑋𝑤 representam as frações molares do
surfactante e da água, respectivamente.
Figura 16 – Espectros de RMN de 2H obtidos a 25º C para amostras formuladas
com DDAB.
À medida que se aumenta a concentração de surfactante nas amostras, mais cabeças polares estão disponíveis para que as moléculas de água, livres no meio, possam interagir via ligações de hidrogênio, o que justifica o aumento no desdobramento do pico. Além disso, a organização dos sistemas, devido à formação de fases anisotrópicas, também contribui para o alargamento do dubleto, conforme análise da equação 11.
Ainda observando os espectros, é possível notar a presença de um único pico isotrópico nas amostras com concentração inferior a 3,0% de surfactante em água, corroborando a atribuição da presença de pequenos domínios de fase lamelar imersos em solução isotrópica nessa faixa de concentração. Nas amostras com
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 In te n s id a d e / u .a . v / Khz 3,0% 6,0% 9,0% 12,0% 15,0% 30,0%
28
concentração inferior à 30,0%, nota-se um pico de baixa intensidade entre os dubletos, o que é indicativo de água isotrópica (sem ordenamento estrutural ao redor dos grupos polares dos surfactantes). Essa informação também confirma a presença de um sistema bifásico (fase lamelar Lα mais excesso de água) em
concentrações intermediárias, conforme atribuído anteriormente.
Com o aumento da temperatura, transformações entre essas fases líquido-cristalinas são acompanhadas por mudanças na conformação molecular e empacotamento das cadeias carbônicas nas bicamadas13,19-23. Abaixo da
temperatura de transição de fase gel (Lβ) para fase fluida (Lα), Tm, as moléculas de
surfactante apresentam um maior empacotamento das cadeias alquílicas, que ficam com movimentos moleculares restringidos, na conformação trans. Acima da Tm, as
moléculas do surfactante permanecem na fase fluida, onde as cadeias carbônicas apresentam configuração gauche, predominando a desordem conformacional, conforme ilustrado na Figura 17.
Figura 17 – Ilustração dos diferentes movimentos moleculares para uma molécula
de DDAB ou DODAB na fase fluida. Wagging representa um movimento em leque abanando. Adaptado da referência 47.
Após o mapeamento do comportamento de fases do DDAB em função da concentração, foi estudada a influência da temperatura nesse processo e para tal foi utilizada a calorimetria diferencial de varredura (DSC). Os termogramas obtidos para as amostras analisadas mostram um pico referente a uma transição endotérmica na temperatura de Tm = 31º C, como mostra a Figura 18, para uma
29
A variação de entalpia referente a essa transição foi de 180 ± 2 J.g-1, o que
equivale a energia estimada para a fusão de uma cadeia alquílica de 12 átomos de carbono48. De acordo, com a literatura, tal valor de variação de entalpia se refere à
transição de fase gel para fase líquido-cristalina (transição Lβ- Lα)49-50, mediante
desorganização (similar à fusão) das cadeias carbônicas.
Figura 18 – Termograma para uma amostra formulada com DDAB a 50,0% em
água, indicando a transição de fase Lβ para fase Lα. Pico para cima se refere a um
evento endotérmico.
Essa transição foi confirmada por experimentos de SAXS, obtendo-se curvas de espalhamento de raios – X, para uma mesma amostra, abaixo e acima da temperatura de transição (Tm) vista nos termogramas (25 e 45º C, respectivamente).
Nessas curvas de SAXS (Figuras 12 e 19, com picos indexados) foram observados picos de espalhamento referentes a duas e uma fase lamelar, respectivamente, sendo esta última fase identificada como Lα, pela ausência de picos no DRX.
Observando a curva de SAXS obtida a 45º C ainda é possível notar menor ordem dos picos de espalhamento, o que também indica uma fase lamelar desordenada, conforme interpretação qualitativa do fator estrutura. O aumento da
15 20 25 30 35 40 45 50 0 C p / k c a l. m o l -1 . o C -1 Temperatura / oC
30
concentração de surfactante nas amostras não alterou a temperatura de transição e também não influenciou significativamente na energia da mesma. É importante ressaltar que essa transição de fases só ocorreu nas amostras que apresentam a fase Lβ (40,0%-85,0% de DDAB em água), nesse caso, coexistindo com a fase Lα.
Figura 19 – Curva de SAXS obtida a 45º C para uma amostra formulada com DDAB
a 50% em água, com os picos de espalhamento indexados.
Na literatura já é descrita a transição de fase gel para fase fluida em vesículas formadas por diferentes anfifílicos13,19-23,26, sendo essa transição altamente
cooperativa. Pela análise dos termogramas obtidos, é possível notar que essa mesma transição para as bicamadas que compõem o cristal líquido formado pelo anfifílico DDAB também apresentou cooperatividade o que pode ser evidenciado pelo pico mais estreito no perfil da curva de DSC.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 10-3 10-2 10-1 lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
31 4.1.2. DODAB em água
Os resultados de caracterização das amostras formuladas com o surfactante DODAB (com dezoito átomos de carbono em cada cauda), mostraram que esse surfactante também se associa em bicamadas, formando duas fases lamelares. De 5,0% a 40,0% de surfactante em água foi verificado um sistema bifásico formado por fase Lα coexistindo com solução isotrópica e nas amostras mais concentradas
notou-se a fase Lβ, conforme experimentos de SAXS, DRX e RMN.
A fim de ilustração, duas curvas de SAXS para uma amostra diluída e concentrada em DODAB são apresentadas na Figura 20, com os picos indexados. Observando essas curvas é possível notar mais uma vez a diferença na rigidez e ordenamento das bicamadas que compõem a fase Lα e Lβ, pela comparação da ordem dos picos de espalhamento. Para a fase gel, esses são mais ordenados, de maior amplitude e menos alargados.
Figura 20 – Curvas de SAXS obtidas a 25º C para amostra formulada com a) 10,0%
e b) 50,0% de DODAB em água, com os picos de espalhamento indexados.
Na literatura19 é encontrado um único diagrama de fases para o DODAB em
água, que mostra a presença de duas fases lamelares diferentes, intituladas de L1
e L2. Porém, nesse trabalho a correta identificação das fases lamelares obtidas não
foi possível devido à ausência de estudos estruturais das bicamadas por técnicas
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 10-3 10-2 a) lo g I (q ) / u .a . q / nm-1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 10-3 10-2 10-1 100 b) lo g I (q ) / u .a . q / nm-1
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de espalhamento e difração de raios – X. Laughlin e colaboradores27 apresentaram
o diagrama de fases para o DODAC em água (Figura 21) que também indica a presença de duas fases lamelares, uma desordenada coexistindo com solução isotrópica e uma ordenada, conforme atribuído nesse trabalho.
Figura 21 – Diagrama de fases para o surfactante DODAC em água. Com relação
às fases de interesse nesse trabalho, tem-se que L representa solução isotrópica e D fase lamelar. Diagrama adaptado da referência 27.
Nas amostras com concentração acima de 40,0% de surfactante DODAB também foi verificada a transição de fase Lβ para Lα mediante fusão das cadeias
carbônicas. Essa transição verificada por DSC (Figura 22), já bem descrita na literatura para vesículas de DODAB20,23, ocorreu em T
m = 42º C, com variação de
entalpia referente a energia necessária para fusão de cadeias de 18 átomos de carbono (∆H = 270 ± 2 J.g-1).
Como observado para o DDAB, a cooperatividade da transição de fase gel para fase fluida das bicamadas formadas pelo anfifílico DODAB também se mostrou altamente cooperativa. Nas amostras mais diluídas, compostas apenas pela fase Lα, não foi verificada nenhuma transição.
