Propiedades termodinámicas y estructurales de nanoagregados de agua y de la interfase hielo-aire

• Autores: Gelman Constantin, Julián
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Corti, Horacio Roberto; Szleifer, Igal
• Materia: NANOAGREGADOS DE AGUA; HIELO; INTERFASE; CAPA CUASI LIQUIDA; MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA (AFM); DINAMICA MOLECULAR (MD); MONTE CARLO (MC); WATER CLUSTERS; ICE; INFERFACE; QUASI LIQUID LAYER (QLL); LIQUID LIKE LAYER (LLL); ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM); MOLECULAR DYNAMICS (MD); MONTE CARLO (MC)
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Estudiamos por Monte Carlo y Dinámica Molecular la estructura y termodinámica de nanoagregadosde agua de entre 4 y 200 moléculas. Utilizamos la capacidad calórica de los agregadospara seguir las transiciones entre estructuras más ordenadas (tipo "sólido") y menos ordenadas (tipo "líquido"). La correlación hallada entre las estructuras y el momento dipolar total del agregadopuede servir para distinguir entre agregados tipo "sólido" y tipo "líquido" en los experimentos. Hallamosuna gran dependencia de las temperaturas de transición con el modelo de agua y el tamañodel agregado. En base a las distribuciones de un parámetro de orden pudimos distinguir dos poblacionesde agua (más y menos tetraédrica), aún en agregados tipo "líquido", cuyas proporcionesvarían en función de la temperatura y de la región del agregado (centro o superficie). Estudiamos también la interfase hielo-vapor para sistemas macroscópicos, por Dinámica Moleculary por Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). Las simulaciones nos permitieron ver condetalle molecular la interacción de puntas modelo con la capa cuasi-liquida, y a la vez estudiarla indentación del hielo. Observamos que durante la indentación nunca desaparece la capa cuasillíquida entre la punta y el hielo, y pudimos calcular la energía libre de la fusión capa por capainducida por la punta. En el caso de una punta hidrofílica, hallamos indicios de una capilaridadentre la misma y la capa cuasi-líquida. Para las mediciones experimentales, modificamos un AFMcomercial de modo de poder generar una interfase hielo-aire de geometría adecuada y controlarel sobre-enfriamiento y la humedad relativa y temperatura del aire en contacto con la muestra, yrealizamos curvas de fuerza sobre dicha interfase. Los resultados obtenidos permiten discutir la validezde las mediciones reportadas en la bibliografía, y sugieren una cota máxima para los espesoresreales de la capa cuasi-líquida sobre hielo. A su vez, estimamos espesores de la capa cuasi-líquidapresente entre la punta y el hielo durante la indentación.
We studied thermodynamic and structure of water clusters of 4 to 200 molecules by Monte Carloand Molecular Dynamics simulations. We used the heat capacity of the cluster as a signature for thetransition between solid-like and liquid-like structures. We found a correlation between the dipolemoment of the cluster and the structure that could be used to distinguish between solid-like andliquid-like clusters in experiments. Our results show that the melting temperature of the clusters isstrongly dependent on the molecular model and the size of the cluster. Using an order parameterdistribution function we were able to discriminate two water populations (with different degree oftetrahedrality), even for liquid-like clusters. The proportions of the two populations depended onthe temperature and the region of the cluster (core or surface). In addition, we studied the macroscopic ice-vapor interface, by Molecular Dynamics and Atomic Force Microscopy (AFM). Simulations results gave us molecular detail of the tip-cuasi-liquid-layerinteraction, and we gained insight on ice indentation. We found a QLL present between the tipand the ice, which never disappears during indentation, and we calculated the free energy of layer-by-layer melting (induced by the tip). Experimentally, we modified a commercial AFM in orderto generate an ice-air interface with a proper geometry, and to be able to control the sample supercoolingand the humidity and temperature of the air in contact with the sample. We measuredforce-curves on the surface of ice. Results allow us to discuss reported experimental results, suggestingmaximum values for the QLL thickness. We also estimated the thickness of the QLL betweenthe tip and the ice during indentation.
Fil: Gelman Constantin, Julián. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.