Colloidal assembly by convective deposition. The role of electroc charge, substrate wettability and particle density

Resumen

Hoy en día, el estudio del ensamblado coloidal por deposición convectiva es un tema en auge: nanolitografía, recubrimientos o el diseño de superficies con propiedades controladas son ejemplos de sus aplicaciones. Esto está respaldado por el creciente número de trabajos que han sido publicados recientemente. Ensamblaje Coloidal por Deposición Convectiva. El papel de la carga eléctrica, mojabilidad del sustrato y densidad de la partícula. La amplia gama de morfologías obtenidas por deposición de partículas a raíz de la evaporación de soluto puede estar condicionada en gran medida por la dinámica de la línea de contacto y por el fenómeno conocido como efecto ``Mancha de Café¿¿, pero las propiedades de mojado del sustrato pueden alterarlo de manera drástica. La intensidad del flujo convectivo-capilar varía con el ángulo de contacto de retroceso que adopta la línea de tres fases, ya esté anclada o retrocediendo. Por otro lado, el movimiento en espacios confinados de partículas estabilizadas por medio de su carga y sometidas a un flujo convectivo originado por la evaporación, podría estar gobernado por la difusión colectiva. Hay muchas vías para variar el coeficiente de difusión de partículas coloidales, y una manera elegante de hacerlo es a través de la carga. La repulsión entre las partículas en grandes concentraciones produce un aumento de la difusión colectiva. Sin embargo, el efecto ``Mancha de Café¿¿ normalmente ignora la interacción electrostática entre partículas, o de éstas con el sustrato. En esta tesis se estudia el ensamblado de partículas coloidales por deposición convectiva. Hemos examinado el efecto de tres factores: carga eléctrica de la partícula, las propiedades de mojado de los sustratos y la relación carga-masa de las partículas usando dos técnicas experimentales: meniscos líquidos guiados y gotas evaporándose libremente. Se ha observado en ambas metodologías que las propiedades de mojado del sustrato utilizado son importantes en el ensamblado coloidal. En los experimentos realizados con meniscos líquidos guiados se obtuvieron unos patrones a bandas que se iban atenuando hasta formar una capa uniforme según el sustrato utilizado. Hemos confirmado que el ángulo de contacto de retroceso impone una restricción geométrica para las partículas en la línea de contacto y debido a esto, las suspensiones binarias analizadas por Microscopía de Barrido Láser Confocal mostraron una segregación por tamaños en la configuración de gota evaporándose libremente. Hemos concluido que las propiedades de mojado y el auto-ensamblado coloidal están acoplados ya que, la acumulación de partículas provoca el anclaje de la línea y esto altera su dinámica, mientras que la deposición de partículas depende, entre otros factores, del espacio disponible, de los estados meta-estables que adopte la línea y sobre todo, del flujo convectivo. También hemos observado cómo la difusión colectiva mitiga la llegada a la línea de contacto de partículas cargadas electrostáticamente, sin importar el tipo de partícula, el sustrato o la metodología empleada. De los experimentos con meniscos líquidos guiados, hemos concluido que la deposición de partículas es el resultado de un balance entre el flujo convectivo ocasionado por el gradiente de evaporación y el flujo difusivo ocasionado por el gradiente de concentración. Los experimentos con suspensiones binarias han ilustrado muy bien la influencia del flujo difusivo en la deposición de partículas. Éste, cobra importancia cuando la concentración de partículas es baja, siendo así mayor el gradiente de concentración entre el seno de la gota y la línea de contacto, aunque la concentración en el seno de la gota varía con el tiempo conforme ésta pierde volumen de disolvente. Por otro lado, en los experimentos de meniscos líquidos guiados la concentración en el seno del reservorio permanece constante y los efectos debidos a gradientes de concentración quedan resaltados. En ambas situaciones, la interacción entre la partícula y el sustrato parece no ser determinante ya que la deposición de partículas casi descargadas en la línea de contacto ha sido siempre mayor que la acumulación de partículas cargadas, incluso cuándo el sistema sustrato-partícula tenía cargas opuestas (y la deposición estaba electrostáticamente favorecida). Por último, hemos observado cómo las mezclas binarias de partículas con diferente relación carga-masa segregaron según el fenómeno conocido como efecto ``nueces de Brasil coloidal¿¿. Esta segregación ha producido un aumento en la acumulación de partículas suspendidas con mayor relación carga-masa. Por el contrario, partículas con menor relación carga-masa llegaron a la línea de contacto a un ritmo menor. Estos resultados abren una vía para conseguir un mayor control del depósito de las partículas sobre un sustrato en auto-ensamblado convectivo.