Manipulación eléctrica de micropartículas y nanopartículas metálicas inmersas en soluciones electrolíticas

Resumen

En el presente documento se muestran los resultados obtenidos a lo largo de cuatro años de trabajo en una línea de investigación destinada a entender los fenómenos físicos implicados en la manipulación de partículas metálicas usando campos eléctricos alternos, estando las partículas inmersas en una solución electrolítica. Veremos que las causas responsables del movimiento de una partícula metálica en suspensión son las fuerzas eléctricas aplicadas sobre las cargas inducidas en la interfase metal-electrolito. Esta tesis se centra en el estudio de la electrorotación (ROT) y la electroorientación (EO) de microesferas y de nanovarillas con forma cilíndrica. Las esferas usadas eran de titanio y las varillas de plata. La forma en la que se presentan los resultados en esta tesis sigue el orden cronológico en el que se realizaron los experimentos. Primero se analiza la electrorotación de las microesferas de titanio (capítulo 2) y luego se continúa con el estudio teórico y experimental de la electrorotación y la electroorientación de las nanovarillas de plata (capítulos 3 y 4). Se realizaron dos tipos de experimentos de electroorientación. El primer tipo consistió en imponer un campo eléctrico en una dirección fija que formaba un ángulo de 90 o con la dirección del eje de la varilla y se midió el tiempo que tardaba la varilla en orientarse en la dirección del campo. Posteriormente se pensó que una forma más directa de medir la polarización de las varillas sería a través de las fluctuaciones brownianas de su orientación con respecto a la dirección del campo aplicado (capítulo 5). Un método, este último, que requiere voltajes más bajos que los empleados en los experimentos anteriores. En los experimentos con campos de baja frecuencia realizados con las nanovarillas se observó que cuando dos o más varillas estaban próximas entre sí, se producía una interacción entre ellas que, pensamos, podía estar relacionada con los flujos electroosmóticos generados en torno a ellas. Para aclarar esta cuestión se realizaron experimentos con una concentración alta de varillas, con el fin de estudiar su comportamiento colectivo (capítulo 6). Aparte de estos experimentos se llevaron a cabo otros que resultaron infructuosos, como la dielectroforesis con esferas de titanio, o en los que se obtuvieron resultados positivos aunque no definitivos, como aquellos en los que se usó óxido de polietileno (PEO) para tratar de eliminar el flujo electrosmótico en torno a las varillas. Se encontró que el uso de PEO permite realizar experimentos con valores altos para la conductividad sin que las nanovarillas se adhieran al sustrato (Apéndice A). Una parte importante del trabajo durante los cuatro años de investigación como doctorando ha sido el desarrollo de una serie de programas destinados al análisis de los vídeos obtenidos a partir de los experimentos. Estos programas se hicieron con MATLAB y se muestran en el apéndice B.