Electro-optical behaviour of non-spherical particles under alternating fields

Resumen

La forma de las partículas se ha mostrado como un parámetro importante para la descripción de los sistemas coloidales y sus posibles aplicaciones. El uso de campos eléctricos es una vía sencilla y eficiente para manipular estas partículas y controlar su orientación, aunque todavía es necesario seguir avanzando para alcanzar todo el potencial disponible. En este trabajo utilizamos técnicas electro-ópticas para analizar la interacción de micro y nanopartículas no esféricas con campos eléctricos externos. Se presta especial atención a los mecanismos de polarización de las partículas y sus dobles capas eléctricas, y al potencial que estos fenómenos poseen como técnicas de caracterización. En primer lugar, medimos la fenomenología birrefringente de partículas de montmorillonita sódica, observándose los mecanismos de polarización de las nubes iónicas. La forma de estos espectros sugiere que la conductividad superficial presenta una anisotropía asociada a la carga de la cara y las aristas de estas partículas. Para campos de baja frecuencia se observa que las partículas tienden a alinearse con sus caras orientadas perpendicularmente a la dirección del campo, lo que se ha explicado a partir de un torque adicional originado por la interacción entre las partículas más pequeñas y más grandes de la muestra polidispersa. A continuación se lleva a cabo el estudio de la respuesta birrefringente de suspensiones no acuosas de nanotubos de carbono. Se ha observado que la birrefringencia de los nanotubos de pared doble es negativa, mientras que la de los de pared simple es positiva, lo que se ha podido explicar teniendo en cuenta la absorbancia de estas partículas. La longitud de los tubos se midió de dos maneras: mediante el análisis de la caída de la birrefringencia y a partir del valor de la polarizabilidad eléctrica, obteniéndose en ambos casos resultados muy similares. Ha sido posible comprobar que son los nanotubos metálicos, y no los semiconductores, los que dominan la respuesta electro-óptica. Además, en este trabajo hemos utilizado el estudio de la caída de la birrefringencia como técnica de caracterización del tamaño de suspensiones de partículas no esféricas con alta polidispersidad, mediante varios procedimientos de análisis aplicados a seis tipos de partículas de geometría muy diferente. Todos los métodos empleados proporcionan resultados excelentes, muy similares a los obtenidos por microscopía. De hecho, en todos los casos las desviaciones permanecen por debajo del 8%. Sin embargo, las determinaciones mediante dispersión dinámica de luz presentan desviaciones muy grandes con respecto al tamaño medio encontrado por microscopía, siempre por encima del 30 %. Por otra parte, se ha estudiado el comportamiento de nanorods de oro estabilizados con CTAB, sintetizados en nuestro laboratorio. Estas partículas presentan birrefringencia negativa, lo que ha podido atribuirse al efecto de su absorbancia. También se ha comprobado que la capa de CTAB que recubre los nanorods juega un papel esencial en su electro-orientación. La densidad de carga de esta capa calculada mediante nuestras medidas está en buen acuerdo con los valores obtenidos mediante el análisis de la movilidad electroforética. También se ha estudiado la fenomenología birrefringente de nanohilos de plata comerciales. El comportamiento espectral muestra que, a altas frecuencias, la polarizabilidad es la de un hilo metálico. A bajas frecuencias, sin embargo, la orientación decae a un valor pequeño debido a la aparición de las dobles capas inducidas, que apantallan el dipolo de la partícula. Además, en este caso ha sido necesario considerar la contribución hidrodinámica de los flujos electro-osmóticos inducidos, que juegan un papel esencial en la orientación. Por último, hemos analizado el comportamiento electro-óptico del óxido de grafeno, a través de la medida del dicroísmo lineal. La polarizabilidad eléctrica de estas partículas crece significativamente por encima del rango de los kHz, un resultado muy similar al de los nanohilos de plata. La respuesta espectral del sistema indica que estas partículas se comportan como conductoras inmersas en una suspensión electrolítica. La distancia media estimada que los iones viajan para apantallar el dipolo está en buen acuerdo con el tamaño de las partículas. En resumen, concluimos que el uso de técnicas electro-ópticas para el estudio de partículas no esféricas en suspensión posee un gran potencial y debe ser analizado en mayor profundidad. En este trabajo, la aplicación a sistemas muy diversos ha permitido extraer información sobre las propiedades y los mecanismos de polarización de las partículas, y avanzar en la comprensión de los fenómenos físicos implicados. Esperamos que en el futuro se continúe la mejora y extensión de estas técnicas, y que se desarrollen nuevas aplicaciones para partículas de geometría controlada, a través de la investigación pública.