Simulation of electrokinetic and colloidal stability properties with the Primitive Model of Electrolyte

Resumen

Las suspensiones coloidales son importantes en varias áreas de la tecnología que van desde las aplicaciones medicas en tratamientos terapéuticos y diseño de medicamentos hasta la síntesis de moléculas complejas biocompatibles como lo son los geles de polimero o polielectrolito. Un entendimiento profundo de de las reglas implicitas en propiedades electrocinéticas y estabilidad coloidalde los coloides es importante para eldesarrollo de mas aplicaciones con un mayor grado de precisión.En el nivel molecular, las simulaciones con el Modelo Primitivo (MP) de electrolito aparecen como una herramienta muy útil. Esta aproximación provee información valiosa acerca de las correlaciones iónicas (causadas por interacciones coulombianas y/o el tamaño de los iones) más allá de las teorías clásicas. En la presente tesis, diferentes aspectos de las suspensiones coloidales y soluciones de polielectrolitos se estudian con la ayuda de las simulaciones Monte Cario (MC) con el MP de electrolito. El papel de las correlaciones iónicas en la conformación de la Doble Capa Eléctrica (DCE) se prueba contrastando simulaciones y una teoría clásica modificada que incluye efectos del tamaño de los iones. Tras la inserción de fuerzas de dispersión en el MP, la especificidad salina de suspensiones coloidales en presencia de electrolitos mono- y divalentes es estudiada.Las interacciones de DCE se estudian a través de los cálculos de la presión neta entre un par de placas igual y opuestamente cargadas en presencia de soluciones electrolíticas mono- y divalentes.La inclusión de interacciones de enlace entre monómeros en el MP hace posible modelar redes de polielectrolitos.La dependencia en la carga y la temperatura de geles de polielectrolitos que se contraen con la temperatura se analiza con la ayuda de un modelo hidrófobo para la interacción entre monómeros no cargados de cadenas políméricas no enlazadas.El MP básico también se puede modificar para modelar iones con distribución de carga interna. Un modelo de iones esferoidales con dos cargas elementales es propuesto.De esta manera, las interacciones cuadrípolares derivadas de los grados de libertad agregados y sus efectos sobre la DCE se analizan proporcionando una mayor comprensión de la función de las correlaciones iónicas de origen coulombiano y no-coulombiano. Los diferentes análisis llevados a cabo exhiben un marcado impacto de las correlaciones iónícas. A través de la consideración de diámetros iónicos hidratados en las simulaciones MC, surgen importantes desacuerdos con las teorías clásicas de DCE y también con estudios por simulación previos en los que el impacto del tamaño iónico ha sido menospreciado. Además, se evidencia que la importancia de la especificidad salina depende fuertemente del tamaño iónico. Se encuentra que el comportamiento de los geles de polielectrolito depende de la competencia entre la longitud de las cadenas de polielectrolito (que junto a la interacción hidrofóbica tienden a contraer la red) y la carga de las cadenas de polielectrolito (que tiende a hincharla). Además, transiciones de fase discontinua aparecen en el caso de geles de polielectrolito débilmente hidrofóbicos.