Modeling simple and complex fluids under confinement

Abstract

El objetivo general de esta tesis es mejorar el conocimiento del comportamiento de fluidos simples y con propiedades auto-ensamblantes bajo condiciones de con finamiento en medios porosos con diversas topologías. La adsorción y el con finamiento de fluidos, particularmente en escala nanométrica, han sido de gran interés durante la ultima década porque las propiedades de los fluidos en condiciones de confi namiento pueden ser modi ficadas con un alto grado de control simplemente eligiendo el adsorbente adecuado. La importancia y las consecuencias del con finamiento son enormes y de ellas se derivan un gran número de aplicaciones: almacenamiento energético, catálisis, dispositivos electrónicos,... Por esta razón, la síntesis, el diseño y la caracterización de materiales porosos ha experimentado un enorme progreso recientemente; sin embargo, aún queda mucho para que la comprensión de los mecanismos químicos y físicos que permiten que tengan lugar los procesos de adsorción y de la interacción entre el adsorbente y el adsorbato sea total. En esta tesis se han considerado dos tipos de medios porosos: regulares, como confi namiento entre dos paredes paralelas (slit-pore) o materiales cristalinos nanoestructurados (zeolitas, carbonos nano-estructurados,...); y desordenados, en los que el desorden topológico se suma a la restricción del espacio debida al confi namiento a la hora de condicionar las propiedades del fluido. A lo largo de este trabajo se han utilizado fluidos simples como referencia para desarrollar nuevas aproximaciones teóricas, y también en el contexto de nuevos materiales porosos con aplicaciones tecnológicas. Además, se ha prestado un interés especial a los fluidos complejos con propiedades asociativas en los que se observa la emergencia de fases ordenadas en determinadas condiciones termodinámicas. A lo largo de esta tesis se ha explorado el origen de este comportamiento tan peculiar y se demuestra la relevancia de estos sistemas en procesos biológicos e industriales. Por nombrar algunos ejemplos, la comprensión de los mecanismos de auto ensamblaje es decisiva para describir disoluciones de coloides y proteínas que aparecen en productos alimenticios y también para aplicaciones tecnológicas como la nano-litografía. Con respecto a la metodología, se han llevado a cabo simulaciones moleculares basadas en métodos Monte Carlo y de Dinámica molecular; además, se han aplicado teorías de ecuaciones integrales derivadas de la relación de Ornstein-Zernike al problema del confi namiento. Uno de los objetivos perseguidos consiste en obtener información detallada y explícita a cerca de la distribución espacial del fluido en el interior del medio poroso. Esta idea es un elemento clave para el entendimiento de los procesos de adsorción, y juega un papel esencial particularmente a la hora de diseñar nuevos materiales funcionalizados. Demostraremos cómo nuevas aproximaciones teóricas complementan y extienden las capacidades de las técnicas de simulación en este contexto, introduciendo una reducción del coste computacional. Esta tesis persigue, en resumen, tres objetivos fundamentales: entender el efecto del confi namiento (tanto en medios porosos regulares como desordenados) sobre el comportamiento de los fluidos con propiedades nano-ensamblantes; analizar nuevos materiales nano-estructurados para aplicaciones de adsorción; y construir una aproximación teórica, en el marco de la teoría de las ecuaciones integrales, re ciente y apropiada para el estudio de procesos de adsorción y con finamiento.