LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Fenómenos Críticos en Sistemas Fluidos

En los últimos 20 años se ha realizado un espectacular avance en la comprensión de los fenómenos críticos en fluidos, de la mano de avances teóricos y experimentales. Los conceptos básicos de escala y universalidad están firmemente asentados y generalmente se encuentra un buen acuerdo entre los cálculos del grupo de renormalización y los experimentos.

Dentro de los sistemas fluidos el comportamiento crítico mejor caracterizado es el de un fluido puro en la transición líquido - vapor, este punto crítico junto con el correspondiente a la transición líquido-líquido en mezclas binarias y seudobinarias pertenece a la misma clase de universalidad Ising 3D.

Recientemente el estudio de fenómenos críticos se ha extendido a sistemas más complejos como:

Algunos de los interrogantes que plantean estos nuevos sistemas son:

La última pregunta es la más fácil de responder, los sistemas con tensioactivos presentan una gran riqueza de fases a temperaturas y presiones experimentalmente accesibles, por lo tanto son sistemas muy convenientes a la hora de explorar: puntos críticos finales, transiciones reentrantes, puntos tricríticos, crossover, etc.

Además en estos sistemas, como ocurre en el caso de polímeros, al existir partículas de tamaño nanométrico es posible seguir la evolución dinámica del sistema desde regiones muy alejadas hasta el punto crítico.

Superficies, Interfases y Monocapas

El objetivo de la Ciencia de Superficies e Interfases es la descripción de los fenómenos interfaciales sobre la base de la estructura y las interacciones moleculares. Podemos ir un poco más lejos de esta definición general, si pensamos que una monocapa Langmuir o Gibbs es un sistema único en el que podemos hacer química y física en dos dimensiones, las posibilidades que se abren con esta visión son enormes tanto desde el punto de vista de ciencia básica como de desarrollo tecnológico.

En años recientes se ha realizado un espectacular avance en el entendimiento de las superficies e interfase fluidas, tanto desde un punto de vista estructural como de su comportamiento dinámico. Fenómenos como la adhesión o el mojado o la relación entre la estructura química y la actividad superficial han sido estudiados durante años y lo son en la actualidad, como problemas de una amplia repercusión industrial y tecnológica.

El campo de las superficies e interfases no ha sido ajeno al paradigma supramolecular, la bidimensionalidad no solo no es un problema para alcanzar reconocimiento molecular, procesamiento o transformación de cualquier tipo de señal eléctrica, óptica o química (catálisis, sensores, etc.) sino muy al contrario hoy en día se reconoce que la reducción de la dimensionalidad puede ser un factor clave para conseguir mayores avances en este campo. Las biomembranas son un buen ejemplo de esto último, la naturaleza es capaz de ensamblar pequeñas moléculas orgánicas en estructuras dinámicas, con funcionalidades múltiples y sin embargo muy específicas. Por el momento tenemos que conformarnos con entender los mecanismos de algunas de estas funciones y como mucho tratar de mimetizar con sistemas sintéticos algunas de estas funcionalidades.

A pesar de los enormes avances en los métodos de simulación con el desarrollo de algoritmos cada vez más eficientes y los propios ordenadores cada vez más rápidos, los trabajos de simulación que se pueden encontrar en la literatura científica corresponden a sistemas bidimensionales muy simples desde el punto de vista molecular, y en escalas de tiempo cortas comparadas con las escalas en las que se desarrollan muchos fenómenos dinámicos en una interfase, es previsible que dado el avance actual en este campo, en un futuro no muy lejano sea posible simular sistemas moleculares bidimensionales mucho más complejos y en un intervalo dinámico más amplio.

Desde el punto de vista experimental se han desarrollado una gran cantidad de técnicas experimentales que permiten abordar distintos aspectos de las superficies e interfase, tanto estructurales como dinámicos. Un estudio termodinámico de una superficie, interfase o monocapa pasa por la determinación de la tensión superficial como función de la concentración (superficial o de volumen), la temperatura y en algunos casos la presión. Este tipo de estudios sigue siendo el paso indiscutible para la obtención del diagrama de fases y la caracterización termodinámica de las mismas. Las técnicas de microscopía de epifluorescencia y ángulo Brewster son fundamentales para observar las texturas mesoscópicas de las superficies y confirmar las transiciones de fase superficiales fundamentalmente en la zona de concentraciones bajas (gas -> líquido expandido -> líquido comprimido).

La determinación estructural de las fases bidimensionales puede ser abordada por toda una pléyade de técnicas espectroscópicas y de difracción. En particular, en las zonas mas concentradas del diagrama de fases son las técnicas de difracción tanto de RX como neutrones las que proporcionan una información estructural más directa.

Muchas de las aplicaciones tecnológicas en que están implicadas las superficies e interfases como la formación y el control de espumas, flotación, procesos de recubrimiento o el propio transvase de una monocapa desde la subfase fluida a un sustrato sólido (Langmuir – Blodgett) dependen de aspectos dinámicos. La reología superficial clásica da información de propiedades de cizalla, sin embargo es la reología dilacional la que controla en mayor medida estos procesos. En la actualidad combinando distintas técnicas es posible cubrir un intervalo dinámico desde 0.1 s^-1 hasta 10⁴ s^-1 pudiendo obtenerse en este intervalo propiedades viscoelásticas características como son la elasticidad y viscosidad dilacional.

Estudios recientes de reología dilacional en monocapas, ponen de manifiesto que el tratamiento hidrodinámico clásico o bien la parametrización de la viscoelasticidad que se introduce en el modelo hidrodinámico, puede ser errónea y/o incompleta. Puesto que los parámetros reológicos se obtienen a partir de la información experimental, mediante el correspondiente modelo elasto–hidrodinámico, la utilización de un modelo incompleto puede conducir a valores erróneos de los parámetros viscoelásticos. En este sentido la combinación de distintas técnicas experimentales, que permiten obtener información dinámica complementaria, puede ayudar a confirmar la validez del tratamiento y por lo tanto de los parámetros viscoelásticos obtenidos.

Polímeros, Copolímeros, Fundidos y Blends

En este área algunos de los trabajos recientes realizados por el Grupo se han centrado en copolímeros, dinámica vítrea y multicapas. Los copolímeros de bloque constitutyen un tipo de materiales extraordinariamente atractivos debido a la tendencia que poseen para autoorganizarse cuando están formados por dos bloques que son inmiscibles. Esto da lugar a estructuras ordenadas con dimensiones del orden de algunos nanometros cuyas características dependen de las dimensiones relativas de ambos bloques y de la temperatura. Así, cuando uno de los bloques es mucho mayor que el otro, es posible encontrar que el bloque minoritario forma esferas o cilindros embebidos en una matriz continua del bloque de mayor tamaño. Cuando el copolímero es simétrico (ambos bloques de igual tamaño) se forman estructuras lamelares, en las que se alternan láminas de un bloque y del otro. Para determinadas relaciones de tamaño de bloques y de temperatura es posible encontrar estructuras más complejas (fases bicontinuas, etc.). Cuando la temperatura es suficientemente alta, se produce una transición orden-desorden, ambos bloques acaban siendo miscibles, y el material se vuelve homogéneo, incluso a escala de nm. Esta tendencia a formar microfases segregadas se da también cuando se disuelven los copolímeros en disolventes selectivos para uno de los bloques.

La existencia de este orden mesoscópico tiene una influencia grande en las propiedades dinámicas de estos materiales, ya que suponen una restricción geométrica que puede impedir algunos de los movimientos moleculares, y por otro lado la existencia de interfases restringe el movimiento de los trozos de cadena que se encuentran en las mismas.

En los últimos años el grupo ha venido estudiando el comportamiento de copolímeros de bloque, tanto en disolución como en fase sólida. Se han utilizado las técnicas experimentales: calorimetría DSC, densitometría a alta presión, espectroscopia dieléctrica, espectroscopia dinámico-mecánica, y espectroscopia de correlación fotónica. Como técnicas auxiliares se han utilizado: rayos X, TEM y FT-IR.

En la actualidad se ha iniciado un proyecto para el estudio de la influencia de la restricción geométrica en la dinámica de copolímeros y polielectrolitos. Para ello se construyen películas ultrafinas mediante técnicas de spin-coating y de construcción capa a capa. La dinámica se estudiará mediante espectroscopia dieléctrica, así como mediante una  microbalanza de cuarzo disipativa que se está construyendo. El estudio se complementará mediante la técnica de ángulo de contacto, AFM y elipsometría.