Fisicoquímica de Superficies

Breve introducción en video

En el Área de Fisicoquímica de Superficies de la UAM-Iztapalapa se investiga, desde hace 30 años, la estructura y las propiedades capilares de los sólidos porosos.

Un material poroso, denominado adsorbente, es aquél cuya estructura presenta espacios, “poros” o huecos, “microscópicos” (i. e. de tamaños coloidales, entre 1 nm y 1 m>m), dentro de una matriz sólida o semisólida. Estos están abundantemente representados en la naturaleza, en cuanto a cantidad y variedad (e. g. suelos de cultivo, acuíferos, mantos petroleros y geotérmicos, diversas rocas de la corteza terrestre, organismos animales y vegetales) y constituyen una parte importante de los materiales que forman el mundo tecnológico actual (e. g. materiales de construcción, madera, papel, cuero, filtros, adsorbentes y catalizadores que se utilizan en procesos de separación, reformación, isomerización, por mencionar algunos ejemplos en la industria química).

El estudio de los procesos capilares en medios porosos demanda una combinación de conocimientos que pertenecen a campos muy variados: física del estado sólido, química coloidal (síntesis de materiales coloidales), mecánica de fluidos, mecánica estadística, procesos irreversibles, termodinámica de interfases y de transiciones de fase, entre otros. Conociendo por completo las propiedades texturales de un material o medio poroso, muchos procesos naturales e industriales estarían bien descritos o se harían por lo menos más eficientes debido a que se podría predecir el comportamiento real de los fenómenos capilares que ocurriesen dentro de ellos. Aún no es posible conocer totalmente dichas propiedades debido a que muchos medios porosos poseen estructuras desordenadas y complejas, difíciles de describir cuantitativamente y donde la descripción de su geometría es un problema formidable. Ha sido siempre deseable la creación o desarrollo de teorías que predigan adecuadamente el comportamiento de los procesos capilares y que pueda ser comprobada o respaldada por evidencias experimentales.

La contribución de una investigación referente a la descripción de un medio poroso es potencialmente muy grande. Dullien ha descrito los materiales o medios porosos (conformados por una parte sólida y otra hueca), estableciendo que éstos se encuentran “en donde sea y en cualquier momento de la vida”, su sentido de existencia radica en la funcionalidad y capacidad que tienen para permitir el desarrollo de ciertos procesos físicos, químicos y hasta biológicos al interior de ellos. Estos medios son capaces de alojar fluidos y permitir que ocurran en ellos algunos procesos capilares, estos procesos ocurren en materiales aparentemente lisos como: plástico, papel, vidrio, etc., o en materiales en los que los poros (espacio vacío o hueco) son evidentes como en: los sistemas sanguíneo y respiratorio, sedimentos naturalmente fracturados, piedras, esponjas, etc. Los medios porosos se pueden vislumbrar como una colección de huecos en los que pueden ocurrir fenómenos de primordial importancia como por ejemplo los procesos capilares, que son aquellos en los cuales dos o más fluidos o fases compiten por el espacio poroso, cuando tanto las fuerzas de adhesión como las capilares son dominantes. La importancia de los medios porosos es evidente cuando se mencionan los procesos capilares que pueden ocurrir dentro de ellos:

• La imbibición (llenado espontáneo de la estructura porosa por un líquido que moja la superficie del sólido.)
• El drenaje (rechazo no espontáneo del líquido alojado en el interior de la estructura porosa mediante un gas bajo presión.)
• La penetración (llenado no espontáneo de una estructura porosa por un fluido que no moja al sólido.)
• La retracción (rechazo espontáneo del fluido no mojante de la estructura porosa al aliviar la presión del mismo fluido.)
• La condensación capilar (transformación de un vapor en líquido dentro de la estructura porosa con el concurso de la capilaridad.)
• La evaporación capilar (transformación de un líquido en vapor dentro de la estructura porosa con el concurso de la capilaridad) y;
• El desplazamiento inmiscible (cuando un fluido B desplaza a un fluido A, presente originalmente en la estructura: espontáneamente, si B moja mejor al sólido de lo que A lo hace o viceversa; siendo A y B inmiscibles.)

Lo anteriormente escrito muestra la importancia que asumen los medios porosos en cuanto a la descripción de fenómenos capilares. Asimismo la importancia per se de estos substratos se manifiesta en cuanto a sus propiedades morfológicas y topológicas ya que una descripción adecuada de estos medios es una necesidad para el avance en el modelado de substratos complejos.

El Área de Fisicoquímica de Superficies se ha dedicado desde su creación a estudiar las interacciones entre diversos fluidos y sólidos, especialmente lo relacionado con superficies y coloides. El tema principal ha sido la descripción y modelación de los medios porosos y de los procesos capilares que se realizan en su interior (condensación y evaporación capilares, imbibición y drenaje), penetración y retracción, desplazamiento inmiscible). Así también hemos abordado problemas de cinética química en sistemas dispersos. Contamos con experiencia en modelos de red, métodos de Montecarlo, Teoría de la Percolación, Fractales y Cálculo de orden no-entero.

Así, con base en su conocimiento y experiencia, nuestro grupo puede brindar estudios en los siguientes rubros:

• Asesoría e investigación en problemas relacionados con la Fisicoquímica de Superficies, i.e. problemas que involucren capilaridad, coloides, mojabilidad, tenso-activos, etc.
• Asesoría e investigación en síntesis y caracterización de sólidos porosos con características específicas.
• Asesoría e investigación en problemas relacionados con transporte de masa y cambios de fase en medio poroso.