Termodinámica del agua en sistemas nanoscópicos - Factorovich, Matías Héctor (2015)
Termodinámica del agua en sistemas nanoscópicos. En este trabajo de tesis se investigaron fenómenos físico-químicos que se ponen de mani-fiesto en sistemas confinados y de escala nanométrica. Se analizaron dos tipos de sistemasprincipalmente: (i) clusters de agua en equilibrio con su vapor y (ii) Agua confinada interactuandocon superficies de distinta hidrofobicidad a nivel nanoscópico. Los clusters de agua suponen sistemas de interés que ponen a prueba las ecuacionesfundamentales y las hipótesis de la termodinámica macroscópica. La variación de lapresión de vapor con la curvatura de una superficie está descrita por la ecuación de Kelvin y la corrección de Tolman para la tensión superficial, donde ambas se derivan bajolas suposiciones de la termodinámica macroscópica. La capacidad de estas ecuaciones dedescribir la presión de vapor en sistemas nanoscópicos es cuestión de controversia en laliteratura. Por esto se investigó el rango de aplicabilidad de estas ecuaciones encontrandoque su validez se extiende a tama~nos muy peque~nos, y que a su vez es posible justificarsus desviaciones con argumentos termodinámicos. Entender cómo se modifica la presiónde vapor de estos agregados, ya sean puros o en mezclas binarias o ternarias, juega unpapel central en la comprensión del proceso de generación de aerosoles en la atmósfera. Sin embargo, esta información no es de fácil acceso a través de experimentos, ni porsimulaciones. El confinamiento en materiales nano y mesoporosos produce cambios en las propiedadesfísico-químicas del agua, y supone un medio muy prominente para distintas aplicacionestecnológicas como (foto)catálisis, sorción, sensores, biomateriales, etc. Es por esto queresulta importante el estudio básico de estas propiedades. En particular se estudió elfenómeno de equilibrio líquido-vapor en nanoporos, adsorción (condensación capilar) ydesorción en equilibrio y fuera del equilibrio (cavitación), en función de la hidrofilicidadde superficies tanto homogéneas como heterogéneas, las cuales se caracterizaron entérminos del ángulo de contacto y la energía de adsorción. Para realizar el trabajo planteado se recurrió a diversas herramientas computacionales. Se utilizó el programa de código abierto LAMMPS para realizar dinámicas moleculares. Se implementó una rutina de Monte Carlo de intercambio de partículas con un reservoriogaseoso que permite trabajar a potencial químico (μ) constante y de esta formadeterminar la presión de vapor de un sistema. Se desarrolló un esquema de simulaciónque permite calcular presiones de vapor en sistemas que presentan interfase y que puedeaplicarse independientemente de la geometría de esta, al que se llamó barrido grancanónico (GCS) por sus siglas en inglés. A su vez se desarrollaron diversas herramientasde análisis de datos basadas en protocolos de bibliografía para determinar ángulos decontacto y energía de adsorción.