Electrocinética de suspensiones concentradas de nanopartículas esferoidales

En esta Tesis doctoral nos proponemos revisar los tratamientos existentes para la polarizacion electrica de suspensiones coloidales de particulas no esfericas, extendiendo en lo posible su aplicabilidad a situaciones moderadamente concentradas. A continuacion, los modelos teoricos asi obtenidos son contrastados con dos conjuntos de datos experimentales, obtenidos mediante el analisis de la respuesta electrocinetica de dos tipos de particulas esferoidales de forma y tamano similares, aunque ligeramente diferentes en su composicion quimica. De este modo, en el Capitulo 2 revisamos los fundamentos de la Teoria Electrocinetica de suspensiones coloidales, identificando su fenomenologia y las principales magnitudes de interes en el caso de esferas. En el Capitulo 3 estudiamos como extender esta teoria al caso de particulas no esfericas, en particular, los casos mas simples de esferoides alargados (prolatos) y achatados (oblatos). Se discuten las modificaciones necesarias para tener en cuenta las interacciones entre particulas y se muestran las predicciones teoricas que se obtienen de estos modelos. En el Capitulo 4 describimos los metodos y tecnicas experimentales utilizadas para la verificacion de los modelos teoricos. Para ello, hemos elegido dos tipos de oxido de hierro muy similares en forma y tamano: goetita comercial (considerablemente polidispersa) y hematites sintetizada en el laboratorio (muy monodispersa en forma y tamano), y que aproximaremos como esferoides alargados al contrastar teoria y experimento. Tras indicar sus principales caracteristicas, revisamos las tecnicas experimentales de movilidad electroforetica, electroacustica, espectroscopia dielectrica y birrefringencia electrica utilizadas, indicando como se obtienen las magnitudes electrocineticas de interes. Los resultados experimentales obtenidos se detallan en los Capitulos 5 y 6. En el primero de ellos se realiza un estudio sistematico de como afectan la carga superficial, la fuerza ionica y la fraccion de volumen ocupado por las particulas de goetita a la permitividad electrica de baja frecuencia (1 kHz-1 MHz) y la movilidad dinamica en el rango de los MHz. Aqui demostramos que la realizacion conjunta de estos dos estudios permite detectar y analizar los principales mecanismos de polarizacion que ocurren en suspensiones coloidales de particulas cargadas a traves de dos procesos de relajacion: la relajacion alfa o polarizacion de concentracion y la relajacion de Maxwell-Wagner-O'Konski. Finalmente, en el Capitulo 6 mostramos que las suspensiones acuosas moderadamente concentradas (hasta un 20% en volumen) de esferoides de hematites son un buen ejemplo de "particulas modelo", cercanos a la idealidad que suponen los tratamientos teoricos presentados. Asi, este sistema nos permite, entre otras consideraciones, obtener informacion sobre las interacciones entre particulas en suspension, especialmente las inducidas por accion del campo electrico en el rango de baja frecuencia (< 1 MHz). El analisis de estas interacciones revela diferencias fundamentales con los efectos observados en suspensiones de esferas, revelando la necesidad de desarrollar modelos especificos de esferoides. El resultado que parece mas interesante se desprende de esta nueva fenomenologia observada en las interacciones de particulas no esfericas, ya que se sugiere la posibilidad de estudiar las caracteristicas de las nubes de polarizacion de concentracion a partir de los efectos que las interacciones tienen en el espectro dielectrico de estas suspensiones, en particular su geometria y la intensidad del efecto.