Estudio experimental y teórico de la interfase hielo-aire

J. GELMAN CONSTANTIN; E. FRANCESCHINI; M. P. LONGINOTTI; M. CARIGNANO; I. SZLEIFER; H. R. CORTI

Rosario

Congreso; XVIII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2013

Asociación argentina de Investigación Fisicoquímica

Introducción: Las propiedades termodinámicas y de transporte de la interfase hielo-aire (ya sea en sistemas puros como en presencia de iones) son de interés por su relevancia para la química ambiental, ya que numerosas reacciones químicas suceden sobre dicha superficie. Diversas técnicas experimentales y teóricas confirman la presencia de una capa cuasi-líquida en dicha interfase. Sin embargo, existen aún muchas preguntas sin respuesta, varias de las cuales fueron relevadas en un reciente review del área de química atmosférica (1). Objetivos: El objetivo general del trabajo es aportar a una comprensión más completa de las propiedades de la interfase hielo-aire. En particular, nos proponemos: - Medir espesor y propiedades mecánicas de la capa cuasi-líquida del hielo usando un Microscopio de Fuerza Atómica (AFM), para sistemas puros y en presencia de solutos. - Modelar computacionalmente la interacción entre la punta de AFM y la interfase, de modo de revisar la interpretación de los datos experimentales, y complementarlos con una descripción a nivel molecular. En este proceso, pretendemos ayudar a clarificar las mencionadas controversias. Resultados: Entre los resultados experimentales, hemos realizado curvas de fuerza en función de la distancia con el AFM, para hielo puro formado por condensación de vapor de agua sobre mica, a distintas temperaturas. Siguiendo el análisis de resultados propuesto por Döppenschmidt et al. (2), hemos podido determinar espesores de la capa cuasi-líquida del orden de nanómetros a decenas de nanómetros. Desde el punto de vista computacional, hemos comenzado a modelar la interacción de puntas de AFM con interfases planas agua-aire y hielo-aire. Para modelar la punta, se comenzó por un modelo esférico (simulando el extremo de una punta cónica), y se está pasando a un modelo atomístico. Utilizando métodos de Dinámica Molecular (MD) combinada con muestreos segados (tipo Umbrella Sampling), pudimos determinar curvas cuasi-estáticas de fuerza en función de la distancia, así como el Potencial de Fuerza Media (Potential of Mean Force). Conclusiones: Los resultados obtenidos son un paso importante para el objetivo general del trabajo, representando un avance hacia una interpretación de las medidas experimentales de la capa cuasi-liquida del hielo (en particular, sobre las de AFM) que se base en una comprensión de la interfase desde el punto de vista molecular.   Referencias bibliográficas 1. Kuo, M. H. and Moussa, S. G. and McNeill, V. F., Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2011, 11, 8145-8172. 2. Döppenschmidt and Butt, Langmuir, 2000, 16, 6709.