Reología InterfacialTécnicas macro y microscópicas y su aplicación a la caracterización de monocapas de Langmuir

Resumen

En esta memoria se aborda el diseño y desarrollo de técnicas experimentales para la caracterización de las propiedades reológicas de cizalla de sistemas cuasi-bidimensionales formados en interfases fluido-fluido, y su posterior aplicación en el estudio de la dependencia de los módulos dinámicos superficiales de monocapas de Langmuir de ácidos grasos respecto de dos de las variables termodinámicas del sistema, la temperatura y la presión superficial. En el momento del inicio del presente trabajo existían en la bibliografía diversas técnicas con similares objetivos, surgidas de manera continua a partir de mediados del s. XX. La influencia de las propiedades mecánicas de los sistemas interfaciales en multitud de procesos biológicos o industriales ha generado un creciente interés en esta rama científica, alentando la aparición de métodos experimentales cada vez más refinados. A pesar de este creciente esfuerzo, la medida de las propiedades mecánicas de sistemas con un espesor típico del orden de nanometros, formados en interfases y, por tanto, en contacto con al menos una fase líquida, es aún hoy un tema abierto. De hecho, los resultados obtenidos por medio de diferentes técnicas que, en función de su longitud característica, podemos clasificar en técnicas micro y macro-reológicas, son en muchos casos difícilmente comparables. El objetivo principal de la primera parte de esta memoria, en la que se describen los trabajos de diseño y construcción de los dispositivos experimentales y formulación de los modelos teóricos empleados, es, en primer lugar, refinar el funcionamiento del macro- Reómetro Interfacial de Aguja Magnética (ISR) mediante el empleo de sondas más pequeñas y ligeras que incrementan su resolución. Esta novedad introducida en la técnica, junto con un correcto tratamiento de la hidrodinámica del sistema, nos permite extender el rango de aplicación de este dispositivo a viscosidades superficiales mucho menores, haciendo posible la comparación directa con técnicas micro-reológicas. A partir de los conocimientos y experiencia adquiridos durante la ejecución de esta tarea, que se desarrolla en el Capítulo 1, abordamos en el Capítulo 2 el diseño y construcción de un nuevo ISR basado en el movimiento controlado de una trampa magnética formada por dos pequeños imanes. Gracias a este nuevo método de accionamiento, la importancia relativa de la resistencia hidrodinámica debida a la interfase aumenta significativamente, incrementando, así mismo, la resolución del dispositivo. En el Capítulo 3 aplicamos a una geometría distinta, el Reómetro Interfacial de disco cónico, una aproximación numérica análoga a la empleada en los capítulos anteriores para obtener el campo de velocidades en la subfasae y la interfase. La técnica macro-reológica de disco cónico está ampliamente extendida gracias a su versatilidad, puesto que está basada en un reómetro de torsión convencional adaptado para poder medir reología de cizalla en interfases mediante una geometría de sencilla construcción. Proponemos un nuevo esquema, basado en la resolución numérica del campo de velocidades, para obtener los módulos dinámicos superficiales a partir de los datos recogidos por el reómetro de torsión (par ejercido y ángulo girado), y comparamos los resultados obtenidos a través de dicho esquema con aquellos presentes en la bibliografía. Ello nos permite, de paso, establecer bajo qué condiciones la resolución numérica del campo de velocidades es necesaria para una correcta interpretación de los resultados. En la segunda parte de la memoria empleamos el ISR de trampa magnética en el estudio de la Reología Interfacial de monocapas de Langmuir de ácidos grasos. Las propiedades micro-estructurales de estos sistemas han sido ampliamente estudiadas durante las últimas tres décadas, pero el conocimiento sobre sus propiedades mecánicas es mucho menor, probablemente debido a las dificultades de esta rama científica mencionadas anteriormente. En el Capítulo 4 se presentan los resultados de un estudio pormenorizado de la dependencia de los módulos dinámicos respecto de la presión superficial y la temperatura de la monocapa, construyendo en última instancia un diagrama de fases a partir de la información obtenida en los experimentos reológicos.