Orientadores: Edvaldo Sabadini, Munir Salomão Skaf / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T16:17:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_MarcusViniciusCangussu_D.pdf: 5363072 bytes, checksum: 77f8ee9c80c8ce3514b001281dfddae6 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Soluções aquosas de mono, di, oligo, e polissacarídeos foram estudas nos níveis macroscópico e molecular, empregando-se enfoques termodinâmicos e espectroscópicos. A influência da intensidade da ligação de hidrogênio sobre a solubilidade dos carboidratos (lineares e cíclicos) mostrou-se fortemente dependente de suas solubilidades. Quanto menos solúvel o carboidrato, maior é o efeito da substituição isotópica do solvente (H2O por D2O). Este efeito sugere que carboidratos menos solúveis (e maiores) perturbam mais fortemente a estruturação das moléculas de água. Devido ao efeito cooperativo da transição coil-helix da k-carragena, o efeito isotópico sobre a gelificação é bastante intensificado. Segundo um perspectiva mais molecular, as taxas de troca protônicas, kb, entre os prótons da água e os grupos OH dos carboidratos dependem da natureza do açúcar, sendo os maiores valores observados para a forma linear, seguida pela forma piranosidea e por último pela forma furanosidea. Já as transferências de magnetização entre as populações de prótons da água e dos grupos CH-carboidratos são moduladas pelos movimentos moleculares e intermediadas pelas trocas protônicas com os grupos OH. Propõe-se que os prótons das moléculas de água interagem preferencialmente com os prótons OH e negligenciavelmente com os prótons CH. Estudos de relaxação H mostraram-se ricos para o estudo de processos moleculares de agregação micelar dos n-alquil-glicosídeos sendo possível demonstrar experimentalmente que a agregação leva a indisponibilização das hidroxilas ao interagirem com as moléculas de água / Abstract: Aqueous solutions of mono, di, oligo, and polysaccharides were studied on the macroscopic and molecular standpoints through thermodynamic and spectroscopic approaches. The effect of hydrogen-bonding strength on the solubility of a series of (linear and cyclic) saccharides showed to be strongly dependent of the solubility of the carbohydrate. As lower is the solubility of the carbohydrate, greater will be the deuterium isotopic effect of the solvent (H2O for D2O) on the carbohydrate solubilities. These results suggest that low soluble carbohydrates (and larger ones) perturb more strongly the water structure. Owing to the cooperativity of the coil-helix transition, the deuterium isotope effect on the gelling of k-carrageenan is intensified leading to stronger gels and double-helices more stable in D2O. Looking deeper onto a molecular perspective and based on spin-spin nuclear magnetic relaxation, the proton exchange rates, kb, between water and OH-carbohydrate, are dependent of the nature of the saccharide. The kb values are higher for linear than for pyranoside form, and the slowest value is found for fructofuranoside form. The transferring of magnetization between proton pools of water and CH-carbohydrates are modulated by molecular motions and intermediated by proton exchanging process between water and OH-carbohydrate protons. H NMR relaxation experiments of exchangeable protons provide to be rich in probing the micelar aggregation of n-alkyl-glucosides. It was possible to demonstrate experimentally that the aggregation of the surfactant molecules provoke a drastic reduction on the interactions between water and OH-saccharide head groups / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma importante técnica empregada nas principais áreas de conhecimento, tais como, Física, Química e Medicina. Importantes trabalhos da RMN aplicada ao estudo da dinâmica de moléculas em fluidos presentes em meios porosos permitiram que esta técnica ganhasse também notoriedade na indústria do petróleo. O presente projeto é fundamentado em alguns destes trabalhos seminais, reproduzindo, através de modelos físico-computacionais, os principais efeitos físicos da difusão e a consequente relaxação dos spins dos núcleos atômicos presentes nas moléculas dos fluidos imersos nos meios porosos. Os métodos teóricos utilizados para a interpretação dos parâmetros de relaxação transversal (T2) e longitudinal (T1), levam em consideração as propriedades macroscópicas da dinâmica de um ensemble de spins nucleares. Para a compreensão da difusão e relaxação nuclear em meios porosos, é de fundamental importância o emprego de métodos físico-computacionais que levam em consideração tanto a microestrutura quanto a difusão translacional dos spins nucleares através desses meios. Dentro dos modelos propostos nesta dissertação, foram utilizados conceitos básicos de mecânica estatística e de relaxação nuclear, resultando em programas envolvendo consideráveis recursos computacionais. Para a realização das simulações numéricas, foi necessária a construção da microestrutura digital dos meios porosos, usando como base do processo as imagens obtidas por microtomografia de raios-X 3D. Tendo disponível a microestrutura digital, o processo de difusão através do meio poroso e a consequente relaxação dos spins nucleares foram simulados através de modelos Random Walk, um exemplo clássico de Método de Monte Carlo. As simulações numéricas dos experimentos clássicos de RMN, empregados para a determinação de distribuições de tempos de relaxação transversal (conhecidas pela sigla CPMG), e mais avançados, para a determinação de taxas de troca entre diferentes sítios dos meios porosos (experimentos de troca ou Exchange), produziram importantes resultados para a compreensão da dinâmica de fluidos em meios porosos através de difusão translacional. / Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a versatile technique applied in many different areas of science such as Physics, Chemistry and Medicine. Several important NMR works applied in the study of the molecular dynamics of fluids inside porous media allowed this technique to become popular in the oil industry. This project is based on some of these seminal works. Using computational physics models, the main physical effects of diffusion and relaxation for the nuclear spins in an ensemble of molecules in a fluid permeating the porous media are reproduced. The theoretical methods used to interpret the transverse (T2) and longitudinal (T1) relaxation parameters take into consideration the macroscopic dynamical properties of an ensemble of nuclear spins. In order to comprehend the diffusion and relaxation in porous media, the use of computational physics methods that take into account the translational diffusion of the nuclear spins inside the media as well as its microstructure is essential. In the proposed models by this dissertation, basic statistical mechanics and nuclear relaxation concepts were used, resulting in programs that demand considerable computational resources. For the numerical simulations it was necessary to digitally construct the microstructure of the porous media and that was achieved with the use of X-ray 3D microtomography. On this digital microstructure, the diffusion process and the resulting relaxation of the nuclear spins were simulated with random walk models, an example of the Monte Carlo Method. The numerical simulation of classic NMR experiments, such as the one used to determine the distribution of relaxation times (known as CPMG), and more advanced ones, such as the one used to determine exchange rates between different sites (2D exchange experiments), produced fundamental results to the understanding of the fluid dynamics in porous media.

A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma importante técnica empregada nas principais áreas de conhecimento, tais como, Física, Química e Medicina. Importantes trabalhos da RMN aplicada ao estudo da dinâmica de moléculas em fluidos presentes em meios porosos permitiram que esta técnica ganhasse também notoriedade na indústria do petróleo. O presente projeto é fundamentado em alguns destes trabalhos seminais, reproduzindo, através de modelos físico-computacionais, os principais efeitos físicos da difusão e a consequente relaxação dos spins dos núcleos atômicos presentes nas moléculas dos fluidos imersos nos meios porosos. Os métodos teóricos utilizados para a interpretação dos parâmetros de relaxação transversal (T2) e longitudinal (T1), levam em consideração as propriedades macroscópicas da dinâmica de um ensemble de spins nucleares. Para a compreensão da difusão e relaxação nuclear em meios porosos, é de fundamental importância o emprego de métodos físico-computacionais que levam em consideração tanto a microestrutura quanto a difusão translacional dos spins nucleares através desses meios. Dentro dos modelos propostos nesta dissertação, foram utilizados conceitos básicos de mecânica estatística e de relaxação nuclear, resultando em programas envolvendo consideráveis recursos computacionais. Para a realização das simulações numéricas, foi necessária a construção da microestrutura digital dos meios porosos, usando como base do processo as imagens obtidas por microtomografia de raios-X 3D. Tendo disponível a microestrutura digital, o processo de difusão através do meio poroso e a consequente relaxação dos spins nucleares foram simulados através de modelos Random Walk, um exemplo clássico de Método de Monte Carlo. As simulações numéricas dos experimentos clássicos de RMN, empregados para a determinação de distribuições de tempos de relaxação transversal (conhecidas pela sigla CPMG), e mais avançados, para a determinação de taxas de troca entre diferentes sítios dos meios porosos (experimentos de troca ou Exchange), produziram importantes resultados para a compreensão da dinâmica de fluidos em meios porosos através de difusão translacional. / Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a versatile technique applied in many different areas of science such as Physics, Chemistry and Medicine. Several important NMR works applied in the study of the molecular dynamics of fluids inside porous media allowed this technique to become popular in the oil industry. This project is based on some of these seminal works. Using computational physics models, the main physical effects of diffusion and relaxation for the nuclear spins in an ensemble of molecules in a fluid permeating the porous media are reproduced. The theoretical methods used to interpret the transverse (T2) and longitudinal (T1) relaxation parameters take into consideration the macroscopic dynamical properties of an ensemble of nuclear spins. In order to comprehend the diffusion and relaxation in porous media, the use of computational physics methods that take into account the translational diffusion of the nuclear spins inside the media as well as its microstructure is essential. In the proposed models by this dissertation, basic statistical mechanics and nuclear relaxation concepts were used, resulting in programs that demand considerable computational resources. For the numerical simulations it was necessary to digitally construct the microstructure of the porous media and that was achieved with the use of X-ray 3D microtomography. On this digital microstructure, the diffusion process and the resulting relaxation of the nuclear spins were simulated with random walk models, an example of the Monte Carlo Method. The numerical simulation of classic NMR experiments, such as the one used to determine the distribution of relaxation times (known as CPMG), and more advanced ones, such as the one used to determine exchange rates between different sites (2D exchange experiments), produced fundamental results to the understanding of the fluid dynamics in porous media.