Estudio mesoscópico de la adsorción de fluidos simples sobre sustratos microestructurados

Resumen

En esta Memoria se han estudiado modelos mesoscópicos de adsorción en fluidos simples sobre sustratos microestructurados, tanto analíticamente, numéricamente y mediante simulación por ordenador. Hemos considerado dos tipos prototípicos de sustratos microestructurados: la hendidura en cuña y el sustrato sinusoidal. El primer caso se ha estudiado por simulación por ordenador para el modelo de Ising, centrándonos en las transiciones de rellenado crítica y tricrítica. Estos resultados se han analizado usando resultados analíticos de un modelo fenomenológico que tiene en cuenta las fluctuaciones interfaciales del tipo modo de respiración. Hemos usado como parámetro de control una interacción modificada espín-sustrato en una región alrededor del fondo de la hendidura, que favorece la adhesión de la interfase a dicha región. Si esta interacción no es lo suficientemente intensa para inducir dicha adhesión, hemos visto que nuestros resultados de simulación tienen un buen acuerdo con las predicciones teóricas del modelo fenomenológico para la transición crítica. Si se aumenta su intensidad, se observa un cambio en el comportamiento interfacial consistente con una transición de rellenado de primer orden. Ajustando el valor de la interacción, se observa un cierto valor que es consistente con la predicción de la teoría fenomenológica para la transición tricrítica. Para el sustrato sinusoidal, hemos obtenido el diagrama de fases de adsorción en la aproximación de campo medio tanto en condiciones de coexistencia en volumen como fuera de ella, centrándonos en la transición de rellenado y mojado. Para ello hemos usado distintos modelos microscópicos de grano grueso: el modelo de Landau-Ginzburg y el modelo de doble parábola. En el primer caso, hemos obtenido el diagrama de fases usando técnicas de elementos finitos cuando el sustrato presenta una transición de mojado de primer orden o una transición de mojado crítica. Dependiendo del orden de la transición, y para una rugosidad dada, la temperatura de transición de mojado se reduce al disminuir el periodo del sustrato para el caso de mojado de primer orden, mientras que permanece inalterada para el caso de mojado crítico. Por otro lado, cuando la amplitud de la corrugación es del orden de la longitud de correlación del líquido, la transición de rellenado desaparece y sólo se observa la de mojado. El límite entre ambos escenarios es un punto triple en el caso de primer orden, y un punto crítico de rellenado para mojado crítico. Finalmente, tanto la transición de rellenado como el mojado de primer orden se extienden a las transiciones de rellenado y de premojado fuera de la coexistencia en volumen, que terminan en sendos puntos críticos. El segundo modelo considerado es el modelo de doble parábola, que por un lado puede considerarse como una aproximación al modelo de Landau-Ginzburg, pero por otro puede relacionarse formalmente con modelos de Hamiltoniano interfacial, permitiendo establecer un nexo entre las descripciones microscópica y mesoscópica de los fenómenos interfaciales. Hemos estudiado el diagrama de fases usando el método de los elementos de contorno para el caso de mojado crítico, obteniendo un buen acuerdo con los resultados del modelo de Landau-Ginzburg en términos del ángulo de contacto y la curvatura interfacial.