Ingeniero Civil en Computación / La simulación de cuerpos que interactúan entre sí por medio de fuerzas y la detección de colisiones entre cuerpos son problemas estudiados en distintas áreas, como astrofísica, fisicoquímica y videojuegos. Un campo en particular corresponde al estudio de los coloides, partículas microscópicas suspendidas sobre otra sustancia y que tienen aplicaciones en distintas industrias. El problema consiste en simular la evolución de un sistema con distintos tipos de partículas coloidales a través del tiempo, cumpliendo las propiedades de volumen excluido, movimiento aleatorio y condiciones de borde periódicas. Además, la interacción de largo alcance entre coloides presenta la particularidad de no cumplir con el principio de acción y reacción. Se desarrolló un algoritmo de simulación completamente paralelo en GPU, implementado en la plataforma CUDA y C++. La solución utiliza una triangulación de Delaunay en memoria de la tarjeta gráfica para conocer eficientemente la vecindad de cada partícula, lo que permite resolver traslapes entre partículas sin tener que evaluar todo el sistema. Se utilizó una implementación reciente del algoritmo de edge-flip para mantener la triangulación actualizada en cada paso de tiempo, extendiendo además el algoritmo para corregir los triángulos invertidos. Para el caso de fuerzas de corto alcance, además se desarrolló un algoritmo paralelo que construye y utiliza listas de Verlet para manejar las vecindades entre partículas de forma más eficiente que la implementación anterior. Los resultados obtenidos con la implementación paralela presentan una mejora de hasta dos órdenes de magnitud con respecto al tiempo de la solución secuencial existente. Por otro lado, el algoritmo para fuerza de corto alcance mejora de igual magnitud con respecto a la solución de largo alcance desarrollada. También se verificó que la corrección de traslapes con triangulación de Delaunay se hace de forma eficiente, y que esta estructura puede ser aplicada para otros problemas relacionados, como implementar el cálculo de fuerzas de corto alcance (y compararlo con la implementación ya existente) o realizar simulaciones aproximadas utilizando triangulaciones. / Financiado parcialmente por el Proyecto FONDECYT # 1140778

A polymer is a large molecule constructed from many smaller structural units calledmonomers joined together by covalent bonds. Polymers have existed in natural formsince life began and those such as DNA, RNA, proteins and polysaccharides are someof the most important macromolecules found in plant and animal life. From the earliesttimes, the man has used many of these polymers as materials for providing clothing,decoration, tools, weapons and other requirements. However, the origins of today'spolymer industry commonly are accepted as being in the nineteenth century whenimportant discoveries were made concerning to the modification of certain naturalpolymers, as cellulose. The use of synthetic and natural polymers as stabilisers forcolloid systems (sols, dispersions, microemulsions, etc.) is becoming more importanteveryday in contemporary life. Polymer additives can be applied in preconcentrationsand dehydration of suspensions in mineral processing, purification of wastewater andeven in nutritional and pharmaceutical emulsions being their importance related to thecharacteristics of the process and the properties that they show. The present work aimsto develop appropriate numerical and analytical modelling techniques, which candescribe (considering the formation of loops and tails) the structure of a polymeric layeradsorbed on heterogeneous surfaces; this adsorbed layer is an relevant factor in theproperties showed by this kind of materials. Taking into account this, the methodologyknown as Single Chain Mean Field (SCMF) (originally used to study micellaraggregates and grafted polymers) was modified to apply on polymer adsorptionproblems. In this way, it was possible to calculate numerically properties that can beexperimentally measured, such as total monomer volume fraction profiles, loop and tailvolume fraction profiles, adsorbance or the thickness of the adsorbed layer. Thestructure of the polymeric layer was examined both for flat and spherical (colloidalparticles) surface geometries. When compared with other well establishedmethodologies for the numerical simulation of polymeric systems, this new version ofSCMF was found to be more efficient due to the improved sampling of the polymerchain configuration space.Thus, SCMF method results, in the case of the adsorption on flat surfaces, compare wellwith those obtained either with Monte Carlo simulations or with the method developedin the 80s by Scheutjens and Fleer (SCF). Due to the lack of studies focusing to polymeradsorption on colloidal particles, our results have been the first to present quantitativepredictions of the structure of the polymeric layer adsorbed on a spherical surface. Thus,we have demonstrated the dependence of the adsorbed polymer layer with the size ofthe colloidal particle as well as the characteristic lengths that influence on it. Finally, inthis work an analytical approach for the description of polymer-colloidal mixtures hasbeen developed which compares well with the numerical results obtained from theSCMF methodology. Furthermore, the analytical approach is able to predict systembehaviours, as for example the formation of gels. / Un polímero es una molécula de grandes dimensiones formada de pequeñas unidadesllamadas monómeros, los cuales se encuentran unidos por medio de enlaces covalentes.Los polímeros han existido de forma natural desde el comienzo de la vida, y aquelloscomo el DNA, RNA o las proteínas son algunos de los polímeros más importantesencontrados tanto en la vida animal como en la vegetal. Desde siempre el hombre hautilizado muchos de estos polímeros como materiales para hacer ropa, decoración,herramientas, etc. Sin embargo, el origen de la industria de polímeros que conocemoshoy en día se produjo en el siglo 19, gracias a importantes descubrimientos dentro de lamodificación de ciertos polímeros naturales, como la celulosa. El uso de polímerossintéticos y naturales como estabilizadores de sistemas coloidales (dispersiones,microemulsiones, etc.) juega en nuestros días un papel importante. Los polímerosutilizados como aditivos, pueden ser aplicados en preconcentraciones y deshidrataciónde suspensiones dentro de procesos minerales, tratamiento de aguas residuales e inclusolos podemos encontrar dentro de la industria farmacéutica y alimentaria, donde suimportancia es debida a la procesabilidad y propiedades que ellos exhiben. El trabajoque se presenta es orientado al desarrollo de técnicas de modelización, tanto analíticascomo computacionales, y su aplicación en la descripción (por medio de la formación debucles y colas) de la estructura de la capa de polímeros adsorbida en superficiesheterogéneas, siendo dicha capa de polímeros un factor importante en las propiedadesque este tipo de materiales presentan. Con este propósito, la metodología conocidacomo Single Chain Mean Field, utilizada anteriormente tanto para el estudio deagregados micelares como de polímeros anclados en superficies, ha sido modificadapara describir la adsorción de polímeros en superficies. Así se han podido calcularnuméricamente propiedades medibles experimentalmente como los perfiles de lafracción en volumen de monómeros totales, además de los pertenecientes a los bucles ycolas, adsorbancia o el espesor de la capa adsorbida, para geometrías de la superficieabsorbente tanto plana como esférica (partículas coloidales). En su comparación conotras metodologías, ya establecidas para la simulación numérica dentro de la física depolímeros, la aplicación de esta nueva versión del Single Chain Mean Field (SCMF)ha resultado ser más eficiente debido a un mejor muestreo del espacio deconfiguraciones de las cadenas poliméricas. De este modo, comparando los resultadosobtenidos a partir del SCMF, con aquellos obtenidos mediante técnicas de simulaciónMonte Carlo o la teoría desarrollada en los años 80 por Scheutjens y Fleer (SCF), se hapodido encontrar un buen acuerdo en las propiedades calculadas para el caso de laadsorción en superficies planas. Debido a la dificultad intrínseca del estudio de laadsorción en superficies curvadas, nuestros resultados son los primeros que presentanpredicciones cuantitativas sobre la estructura de la capa que se forma sobre unapartícula coloidal. Así hemos podido comprobar la dependencia de la estructura de lacapa de polímeros adsorbidos con el tamaño de la partícula sobre la que se encuentranadsorbidos además de las longitudes características de las cuales depende. Finalmente,en este trabajo se ha desarrollado, también, una teoría analítica para la descripción de lamezcla polímero-coloide. De este modo, los resultados numéricos obtenidos con elSCMF han podido ser comparados con dicha teoría, obteniendo, de nuevo, un buenacuerdo y predecir, además, comportamientos colectivos como la formación de geles.

Els treballs presentats en aquesta tesi fan referència a sistemes amb estructures d’escales nanomètriques. L’estructura d'aquests sistemes s’obté mitjançant la formació de monocapes de Langmuir, dipositant dissolucions de molècules amfifíliques o suspensions de partícules col•loïdals sobre la superfície de l'aigua. Per una banda, s’han preparat monocapes de Langmuir de la molècula fotosensible 8Az3COOH. Mitjançant la tècnica de Langmuir-Blodgett, aquestes monocapes han estat transferides sobre substrats sòlids que, posteriorment, s’han utilitzat per a formar cel•les de cristall líquid. Aquestes permeten visualitzar les estructures transferides, similars a les observades en la monocapa de Langmuir, però no presenten fotosensibilitat. Les monocapes de Langmuir de 8Az3COOH també s’han utilitzat per a estudiar la dinàmica de les estructures i els defectes observats mitjançant microscòpia d’angle Brewster en la monocapa de Langmuir. Per altra banda, també s’han preparat monocapes de Langmuir-Blodgett de partícules col•loïdals de diòxid de silici per obtenir cristalls col•loïdals bidimensionals amb propietats fotòniques. / The works of this thesis are related to systems with structures in the nanoscale. The structure of these systems is obtained by preparing Langmuir monolayers, spreading solutions of amphiphilic molecules or suspensions of colloidal particles on the water surface. On the one hand, Langmuir monolayers of the photosensitive molecule 8Az3COOH have been prepared. These monolayers have been transferred on solid substrates by the Langmuir-Blodgett technique. Later, these substrates have been used to build liquid crystal cells. These cells allow us to visualize the transferred structures, which are similar to those observed in the Langmuir monolayer, but they do not show photosensitivity. The Langmuir monolayers of 8Az3COOH have also been used to study the dynamics of the structures and the defects observed by Brewster angle microscopy in the Langmuir monolayers. On the other hand, Langmuir-Blodgett monolayers of silica particles have been prepared in order to obtain two-dimensional colloidal crystals with photonic properties.

[ES] La presente tesis doctoral, titulada "Estudio, desarrollo y mejora de la síntesis de nanopartículas mesoporosas de sílice (MSN) tipo MCM-41 orientada a aplicaciones biomédicas" se centra en la síntesis, caracterización, estudio y evaluación de diferentes MSN tipo MCM-41, con el objetivo de ampliar el conocimiento de las MSN como nanomateriales implicados en aplicaciones biomédicas. El primer capítulo de este trabajo es una introducción general sobre los temas que se van a tratar a lo largo de la tesis. Por un lado, se introducen los principales conceptos sobre las nanopartículas de sílice mesoporosas, y en particular las MSN de tipo MCM-41, como su descubrimiento, sus propiedades, ventajas y aplicaciones, su síntesis y la química implicada, y la posibilidad de ser funcionalizadas o dopadas para adquirir propiedades adicionales y únicas. Por otro lado, se presenta un amplio abanico de técnicas de caracterización de MSN, destacando su importancia en la presente tesis. Por último, se revisan los conceptos de nanomedicina y nanomateriales, incluyendo el conjunto de requisitos que deben cumplir los nanomateriales para ser validados, los tipos de nanomateriales desarrollados hasta el momento y los principales cuellos de botella encontrados en la traslación clínica de los nanomateriales. En este contexto, se revisan los estudios de las MSN en nanomedicina, señalando los retos de las mismas dentro de esta especialidad y la oportunidad que ofrecen a la ciencia de los materiales. En el segundo capítulo se exponen los objetivos generales de la presente tesis doctoral, que son abordados en los siguientes capítulos. El tercer capítulo se basa en un estudio en profundidad del mecanismo de síntesis de las MSN de tipo MCM-41, considerando el mecanismo de estructuración de la sílice, la nucleación, el crecimiento y los procesos de envejecimiento. En particular, se analizan detalladamente las primeras etapas de la síntesis de MSN. Además, se revisan los diferentes modelos descritos sobre el mecanismo de estructuración de la sílice, que han sido ampliamente estudiados. El cuarto capítulo se centra en la investigación del efecto de algunos parámetros tradicionalmente poco estudiados en la síntesis y formación de MSN de tipo MCM-41, como el tiempo de síntesis, la velocidad de agitación, el núcleo de agitación magnética utilizado, la velocidad de adición del TEOS y el método de neutralización una vez formadas las nanopartículas. También se introduce una revisión de la influencia de los parámetros de síntesis más estudiados en las MSN tipo MCM-41. El quinto capítulo se basa en el estudio de la obtención, caracterización y manipulación de MSN de tipo MCM-41 coloidales. En primer lugar, se presenta una revisión crítica de los trabajos que informan sobre la obtención de MSN coloidales, correctamente suspendidas o discretas. En segundo lugar, se introduce una metodología para caracterizar la estabilidad coloidal de las MSN. En tercer lugar, se estudia y compara el comportamiento coloidal de diferentes nanopartículas en diferentes condiciones. Y, por último, se desarrolla un marco conceptual y de trabajo sobre los principios que rigen la estabilidad coloidal de las nanopartículas. El sexto capítulo es un estudio exhaustivo de las implicaciones del uso de diferentes procedimientos de eliminación de surfactantes en las MSN de tipo MCM-41, como la calcinación a diferentes temperaturas y la extracción con disolventes. Las propiedades fisicoquímicas de las MSN estudiadas son la eficiencia de eliminación de surfactantes, el grado de condensación de la sílice, la porosidad, la estabilidad coloidal y la reactividad superficial. Además, se comprobó la biocompatibilidad de las nanopartículas en cuanto a su citotoxicidad y su degradación en un entorno fisiológico simulado, para validar su uso en aplicaciones biomédicas. El séptimo capítulo recoge las conclusiones generales de la presente tesis, que resumen las conclusiones obtenidas en cada capítulo. / [CA] L'actual tesi doctoral, titulada "Estudi, desenvolupament i millora de la síntesi de nanopartícules mesoporoses de sílice (MSN) de tipus MCM-41 orientada cap a aplicacions biomèdiques" se centra en la síntesi, caracterització, estudi i avaluació de diferents mostres de MSN de tipus MCM-41 amb l'objectiu de millorar el coneixement de les MSN com nanomaterials implicats en aplicacions biomèdiques. El primer capítol d'aquest treball és una introducció general sobre els elements que es tractaran durant tota la tesi. D'una banda, s'introdueixen els conceptes principals sobre les nanopartícules mesoporoses de sílice, i en particular les de tipus MCM-41, com el seu descobriment, les seues propietats, avantatges i aplicacions, la seua síntesi i la química implicada, i la possibilitat de ser funcionalitzades o dopades per adquirir propietats addicionals i úniques. D'altra banda, es presenta una àmplia gamma de tècniques de caracterització de MSN destacant la seua importància en la tesi actual. Finalment, es revisen els conceptes de nanomedicina i nanomaterials, incloent-hi el conjunt de requisits que els nanomaterials han d'aconseguir per ser validats, els tipus de nanomaterials desenvolupats fins ara, i els principals colls d'ampolla trobats en la translació clínica de nanomaterials. En aquest context, es revisen els estudis de les MSN en nanomedicina, assenyalant els seus reptes dins de la nanomedicina i l'oportunitat que ofereixen a la ciència dels materials. El segon capítol exposa els objectius generals de la tesi doctoral actual, que són abordats en els següents capítols. El tercer capítol es basa en un estudi en profunditat del mecanisme de síntesi de les MSN tipus MCM-41, considerant el mecanisme d'estructuració de la sílice, la nucleació, el creixement i els processos de maduració. Particularment, les primeres etapes de la síntesi de MSNs s'analitzen en detall. A més, es revisen els diferents models reportats sobre el mecanisme d'estructuració de sílice, que ja han sigut àmpliament estudiats. El quart capítol es centra en la investigació de l'efecte d'alguns paràmetres tradicionalment menys estudiats en la síntesi i formació de l'MSN de tipus MCM-41, com: el temps de síntesi, la velocitat d'agitació, el nucli d'agitació magnètica utilitzat, la velocitat d'addició de TEOS i el mètode de neutralització una vegada que es formen les nanopartícules. També s'introdueix una revisió de la influència dels paràmetres de síntesi més estudiats en les MSN de tipus MCM-41. El cinqué capítol es basa en l'estudi de l'obtenció, caracterització i manipulació de les MSN de tipus MCM-41 col·loidals. En primer lloc, es presenta una revisió crítica dels treballs que descriuen l'obtenció de MSN col·loidals, correctament suspeses o discretes. En segon lloc, s'introdueix una metodologia per caracteritzar l'estabilitat col·loidal de les MSN. En tercer lloc, s'estudia i compara el comportament col·loidal de diverses nanopartícules en diferents condicions. I finalment, es desenvolupa un marc conceptual i de treball sobre els principis que regeixen l'estabilitat col·loidal de les nanopartícules. El sisé capítol és un estudi exhaustiu de les implicacions de l'ús de diferents procediments d'extracció de surfactants a les MSN de tipus MCM-41, com la calcinació a diferents temperatures i l'extracció de dissolvents. Les propietats fisicoquímiques de les MSN estudiades són l'eficiència d'extracció de surfactant, el grau de condensació de sílice, la mesoporositat, l'estabilitat col·loidal i la reactivitat de la superfície. A més, la biocompatibilitat de les nanopartícules es va provar pel que fa a la seua citotoxicitat i la seua degradació en un entorn fisiològic simulat, per validar el seu ús en aplicacions biomèdiques. El seté capítol recull les conclusions generals de la tesi actual, que resumeix les conclusions obtingudes en cada capítol, però també proporciona noves perspectives i una visió global de la matèria estudiada. / [EN] The present PhD thesis, entitled "Study, development and improvement of MCM-41-type mesoporous silica nanoparticles (MSN) synthesis oriented to biomedical applications" is focused on the synthesis, characterisation, study and evaluation of different MCM-41-type MSN samples to improve the knowledge of MSN as nanomaterials involved in biomedical applications. The first chapter of this work is a general introduction about the items that are going to be treated throughout the thesis. On the one hand, the main concepts about the mesoporous silica nanoparticles, and in particular MCM-41-type MSN, are introduced, such as their discovery, their properties, advantages, and applications, their synthesis and the chemistry involved, and the possibility of being functionalised or doped to acquire additional and unique properties. On the other hand, a wide range of MSN characterisation techniques are presented highlighting their importance in the current thesis. Finally, the concepts of nanomedicine and nanomaterials are reviewed, including the set of requirements the nanomaterials must accomplish to be validated, the types of nanomaterials developed thus far, and the main bottlenecks found in clinical translation of nanomaterials. In this context, the studies of MSN in nanomedicine are reviewed, illustrating the challenges of MSN within the nanomedicine and the opportunity their offer to material science. Second chapter exposes the general objectives of present PhD thesis, which are addressed in the following chapters. Third chapter is based on an in-depth study of the synthesis mechanism of MCM-41-type MSN, considering the silica templating mechanism, the nucleation, the growth and the aging processes. Particularly, the early stages of the MSNs synthesis are substantially analysed. In addition, the different models reported about the silica templating mechanism, which are widely studied, are reviewed. Fourth chapter is focused on the investigation of the effect of some disregarded parameters on the synthesis and formation of MCM-41-type MSN, such as synthesis time, stirring rate, the magnetic stir bar used, TEOS addition rate and the neutralisation method once nanoparticles are formed. A review of the influence of the most studied synthesis parameters on MCM-41-type MSN is also introduced. Fifth chapter is based on the study of the obtaining, characterisation and manipulation of colloidal MCM-41-type MSN. First, a critical review of works that report the obtaining of colloidal, well-suspended or discrete MSN is presented. Second, a methodology to characterise the colloidal stability of MSN is introduced. Third, the colloidal behaviour of several nanoparticles under different conditions is studied and compared. And finally, a conceptual and operational framework about the principles governing the colloidal stability of nanoparticles is developed. Sixth chapter is a comprehensive study of the implications of the use of different surfactant removal procedures on standard MCM-41-type MSN, such as calcination at different temperatures and solvent extraction. The physicochemical properties of MSN studied are the surfactant removal efficiency, the silica condensation degree, the mesostructured framework, the colloidal stability and the surface reactivity. Additionally, the biocompatibility of nanoparticles was tested regarding their cytotoxicity and their degradation in a simulated physiological environment, to validate their use in biomedical applications. Finally, seventh chapter gathers the general conclusions of the current thesis, which summarise the conclusions obtained in each chapter, but also provide new perspectives and the big picture of the studied matter. / Candela Noguera, V. (2022). Study, development and improvement of MCM-41-type MSN synthesis oriented to biomedical applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182386