En este proyecto se desarrollará teórica y experimentalmente una metodología para determinar el tamaño de partícula en coloides a partir de la medición de propiedades ópticas efectivas del coloide. La ventaja principal del método a desarrollar es que además del tamaño de las partículas, se determina simultáneamente su índice de refracción. En los métodos actuales para determinar tamaño de partícula es necesario conocer o suponer el índice de refracción de las partículas y es comúnmente una fuente de errores. El método a desarrollar en este proyecto será de utilidad para caracterizar partículas “pequeñas” y “medianas”. Por partículas “pequeñas” y “medianas” queremos decir partículas con parámetro de tamaño mucho menores que uno y del orden de uno respectivamente. El parámetro de tamaño de una partícula esta dado por 2(pi)a/l donde a es el radio de la partícula y l es la longitud de la radiación incidente en el medio que rodea a la partícula. Esta propuesta esta sustentada en trabajos recientes de nuestro grupo de trabajo en los que se ha podido profundizar teóricamente el concepto de índice de refracción efectivo en medios coloidales turbios. Hemos establecido, por ejemplo, que el índice de refracción efectivo en coloides deriva de una respuesta electromagnética efectiva no-local, es decir que presenta dispersión espacial. Este hecho tiene consecuencias importantes para la determinación experimental del IR efectivo. En particular, en el caso de coloides con partículas “medianas” o “grandes”, la reflectancia no se describe correctamente con los coeficientes de reflexión de Fresnel y requiere de modelos específicos de superficie. Esto inhabilita el uso de técnicas experimentales basadas en la reflexión o transmisión para medir índice de refracción efectivo de coloides. Sin embargo, con ciertos cuidados, es posible usar técnicas basadas en refracción coherente de luz para determinar e índice de refracción efectivo en coloide con tamaño de partícula arbitrario. En el caso de partículas dieléctricas con baja absorción óptica, se contempla medir la fracción de volumen que ocupan las partículas en el coloide (f) y la parte real e imaginaria del incremento del índice de refracción efectivo debido a las partículas coloidales (dneff ). De estas mediciones se obtienen dos cantidades independientes, Re(dneff)/f y Im(dneff)/f . Utilizando un modelo simple de índice de refracción efectivo se determinan el radio de las partículas y su índice de refracción. Un objetivo de este proyecto es establecer la metodología experimental para caracterizar partículas dieléctricas. Otro objetivo de este proyecto es extender el método a partículas con alta absorción, metálicas y semiconductoras. Para ello se tiene contemplado hacer una tercera medición de propiedades efectivas del coloide. Pensamos incorporar la medición del coeficiente de absorción óptica efectivo mediante una técnica foto-térmica. Con esto será suficiente para determinar el tamaño de las partículas, la parte real y la parte imaginaria de su índice de refracción (tres incógnitas por lo que necesitamos medir tres parámetros efectivos independientes). También tenemos contemplado extender las técnicas experimentales a un continuo de longitudes de onda (espectroscopía) y con ello evaluar si es posible determinar la distribución de tamaños en el caso de coloides polidispersos. En este proyecto se desarrollarán diversos arreglos experimentales para determinar propiedades ópticas efectivas en coloides y se estudiará el problema de inversión del tamaño e índice de refracción de las partículas utilizando un modelo del índice de refracción efectivo de coloides.

La caracterización de partículas en suspensión es de gran importancia en la investigación científica y en la industria. Por un lado, el estudio de la física de partículas en suspensión ha sido y continúa siendo un área de mucho interés en diferentes ramas de la física y química principalmente. Por otro lado muchas sustancias comercialmente importantes son coloides en las que el tamaño de partícula es un parámetro crítico. En diversas industrias es necesario determinar este parámetro en el intervalo de unos cuantos nanómetros a cientos de nanómetros. Podemos mencionar la industria de pinturas y tintas en las que los pigmentos son en general partículas con tamaños inferiores a una micra. Otros ejemplos se encuentran en la industria farmacéutica y de alimentos, en las que encontramos una gran diversidad de suspensiones coloidales de partículas con actividad biológica. Existen en el mercado diversos instrumentos y arreglos experimentales para caracterizar partículas. Estos son en general instrumentos de alto costo. Como se mencionó en los antecedentes, existen en la actualidad diversas técnicas experimentales para determinar tamaño de partículas: i) Espectroturbidimetría, ii) esparcimiento resuelto en ángulo o esparcimiento de luz estático (SLS por sus siglas en inglés), iii) esparcimiento de luz dinámico (DLS por sus siglas en inglés). Una limitación en común a estas tres técnicas es que es necesario suponer el IR de las partículas, lo que implica que debemos conocer de antemano la composición y estructura de las partículas (e.g. porosidad). En muchas situaciones desconocemos el IR y las mediciones por estas técnicas acarrean un error desconocido. Así mismo, la turbidimetría y la SLS están limitadas a partículas con tamaño de parámetro del orden de uno y mayores [20-22]. En principio la técnica de DLS puede funcionar con partículas mucho más pequeñas, (hasta de 5 nm de radio) pero requiere diluir la muestra a fracciones de volumen muy por debajo de 1% para evitar interacciones entre partículas. Por otro lado, es necesario conocer las propiedades reológicas de la matriz y la preparación de muestras requiere de muchos cuidados. En este proyecto desarrollaremos una técnica alternativa que no requiere conocimiento previo del IR de las partículas ni de las propiedades reológicas de la matriz. De hecho el método determinará también el IR de las partículas. Esto nos permitirá además de determinar el tamaño de partícula inferir algo sobre la composición química de las partículas o su porosidad. En este sentido, la técnica propuesta puede ser complementaria en muchos casos y posiblemente reemplazar a las otras técnicas en otros casos. Nos referiremos a las técnicas a estudiar en este proyecto como técnicas EFO (por las siglas en inglés de Effective Optical Properties).