DINÁMICA DE IMBIBICIÓN CAPILAR EN PELÍCULAS DELGADAS MESOPOROSAS

M. MERCURI; K. PIERPAULLI; BERLI, CLAUDIO L. A.; BELLINO, M.G.

Congreso; 18th Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2017

La imbibición espontánea de fluidos dentro de nanoestructuras porosas es un tema de creciente interés para numerosas aplicaciones, tales como sensado, filtración, catálisis, entre otras. En este sentido, las películas mesoporosas ofrecen la posibilidad de estudiar comportamientos nanofluídicos novedosos en espacios altamente confinados; y por su forma de procesamiento, se obtienen superficies nanoestructuradas de diversas morfologías. En este trabajo, con el objetivo de caracterizar la nanofluídica dentro de matrices mesoporosas, se sintetizaron películas delgadas de TiO2 y SiO2 sobre silicio, de ~180nm de espesor, mediante la técnica sol-gel acoplada con el proceso de autoensamblado inducido por evaporación. Así, modificando los tratamientos térmicos durante la síntesis, se lograron distintas morfologías porosas. Seguidamente, se estudió la imbibición capilar en las películas delgadas simplemente depositando una gota de agua sobre la superficie y registrando el avance del fluido dentro de la matriz porosa mediante un microscopio óptico [1]. Se observó que en algunas nanoestructuras se forma un anillo alrededor de la gota depositada que avanza linealmente con el tiempo y luego se detiene manteniendo una posición de estado estacionario. En este sentido, se propuso que el anillo circundante observado es debido al cambio de índice de refracción que se genera por la entrada del fluído en el film. Además se planteó que la dinámica de infiltración en estos sistemas depende conjuntamente de los fenómenos de imbibición capilar y evaporación que actúan en sentidos opuestos. En consecuencia, se elaboró un modelo teórico que combina la ecuación de Lucas-Washburn con el fenómeno de evaporación superficial, el cual ajustó con los datos experimentales. A su vez, el modelo propuesto permitió obtener los valores de posición de estado estacionario, coeficiente de infiltración y velocidad de evaporación del agua para las morfologías estudiadas. Particularmente, en el caso de las muestras que presentaban una morfología ?worm-like?, se registró un comportamiento oscilatorio del frente del fluído dentro de la mesoestructura, lo cual fue atribuido a los fenómenos de capilaridad-evaporación en equilibrio dinámico. Actualmente este novedoso comportamiento sigue siendo investigado. En resumen, estos estudios contribuyeron a evidenciar que los fenómenos de evaporación y capilaridad actúan acoplados y juegan un rol fundamental en el transporte nanofluídico en películas delgadas mesoporosas. Asimismo, el comportamiento oscilatorio observado en ciertas nanoarquitecturas, impulsa el estudio y desarrollo de novedosas plataformas con modos de operación basados en el movimiento espontáneo de los fluidos.