2 research outputs found
Study of interfacial water at the nanoscale at ambient conditions with SPM
La tesi que es presenta es veu emmarcada dins l'Ă rea de ciència de superfĂcies. Dos dels grans temes desenvolupats en aquesta tesi estan relacionats amb l'estudi de superfĂcies amb constants de xarxa (distĂ ncies atòmiques que componen la molècula) properes a la del pla basal de la fase hexagonal del gel (Ih) (el gel mĂ©s comĂş a l'escorça terrestre). L'objectiu d'aquesta premissa Ă©s veure com superfĂcies que tenen la constant de xarxa propera a la del gel (Ih) provoquen que l'aigua d'origen atmosfèric s'adsorbeixi a sobre en forma d'aigua en estat sòlid (gel) i no en forma d'aigua lĂquida a temperatures relativament altes. Aquest tipus de superfĂcies tindrien grans utilitats en processos meteorològics tals com la inducciĂł de pluja, comercialitzaciĂł de productes propulsors de neu artificial o simplement per a conèixer els lĂmits de congelaciĂł de l'aigua en sistemes biològics. En el capĂtol 3, es presenta el BaF2 com a possible nucleador de gel sobre la seva superfĂcie, ja que la seva constant de xarxa difereix nomĂ©s un 4% de la del gel (Ih). Amb l'ajuda d'un microscopi de forces atòmiques (AFM) s'ha pogut observar com les molècules d'aigua difonen fĂ cilment sobre la seva superfĂcie, i a mĂ©s a mĂ©s aquestes tenen preferència en la seva acomodaciĂł. S'ha observat que els esglaons de BaF2 i les zones que tenen un excĂ©s de cĂ rrega degut al clivatge, sĂłn els defectes ideals per l'aigua, ja que s'hi sent molt mĂ©s còmode. Aquests esglaons generats durant el clivatge tenen unes direccions cristal·logrĂ fiques concretes i ben definides, i l'aigua no tĂ© una preferència aleatòria per ells sinĂł que, contrĂ riament del que pensĂ vem, les molècules d'aigua tenen en general mĂ©s afinitat per aquells esglaons menys energètics, amb menys densitat d'Ă toms al descobert. El BaF2 no Ă©s un bon nucleador pel que fa al creixement de gel tridimensional, ja que la conformaciĂł que adopten les molècules d'aigua paral·lela al pla no afavoreix la formaciĂł de gel tridimensional, però grĂ cies a la seva constant de xarxa i als defectes ocasionats durant el clivatge resulta que Ă©s un nucleador bidimensional. S'ha seguit el mateix patrĂł pel CaF2, un compost isoestructural del BaF2, amb la diferència que tĂ© una constant de xarxa mĂ©s petita, que difereix un 14% respecte la cara basal del gel (Ih). Els experiments realitzats mostren com l'aigua s'hi adsorbeix de manera aleatòria i mĂ©s caòtica, tot i que tĂ© certa preferència pels esglaons com en el cas del BaF2. Podem concloure doncs, que la constant de xarxa Ă©s un parĂ metre molt important, però no Ă©s l'Ăşnic. En el capĂtol 5, es planteja l'opciĂł d'obtenir una superfĂcie de manera artificial, amb les caracterĂstiques que busquem per tal que l'aigua s'hi adsorbeixi en forma de gel (Ih) fĂ cilment. La tècnica utilitzada per aquest propòsit Ă©s la Langmuir-Blodgett, la qual ens permet fer monocapes en l'interfase lĂquid-gas, i es poden transferir a una superfĂcie sòlida. Depenent de la superfĂcie, obtindrem monocapes hidrofòbiques o hidrofĂliques. Tot i que l'objectiu llunyĂ Ă©s formar una monocapa ideal i observar a travĂ©s de l'AFM com s'adsorbeix l'aigua a sobre, fins ara s'ha aconseguit formar superfĂcies hidrofĂliques a partir de substrats hidrofòbics (grafit) i tambĂ© formar superfĂcies hidrofòbiques a partir de substrats hidrofĂlics (mica). Les molècules utilitzades per a la formaciĂł de les monocapes sĂłn alcohols alifĂ tics de cadena llarga, estudiats a la bibliografia com a possibles bons nucleadores de gel. En el capĂtol 4, l'atenciĂł es veu desviada per l'investigaciĂł de la cĂ rrega residual que es produeix a sobre de les superfĂcies. Per les propietats electròniques que tĂ© el grafè, es va creure convenient fer-lo servir de superfĂcie model. A travĂ©s de la punta d'AFM s'ha injectat cĂ rrega a una lĂ mina de grafè sobre òxid de silici, i s'ha vist com la cĂ rrega provocada per la punta es va dissipant cap a l'òxid de silici en funciĂł de la humitat relativa. Amb aquest estudi es va poder analitzar l'efecte de cĂ rrega residual en superfĂcies i el rol que hi juga l'aigua. En aquest treball tambĂ© es va fer pal·lesa que les dimensions de la punta determinaven fortament les mesures electroestĂ tiques en AFM.This thesis is framed into the surface science area. Two main chapters developed in the present work are related to the study of surfaces with lattice constant near to the basal plane of the hexagonal ice (Ih) (the most common ice on Earth). The main goal of this topic is observe how these surfaces induce water adsorption on its surfaces as solid water at high temperatures. These surfaces could be used in meteorological processes such as rain induction, snow making industry or the knowledge of the freezing limits of water in biological systems. In chapter 3, BaF2 is presented as a possible ice nucleation because its lattice constant differs only 4% respect to the basal plane of the hexagonal ice (Ih). With the help of an Atomic Force Microscopy (AFM) it can be observed how water molecules easily spread on the surface and showing adsorption preferences. It was observed that steps and charge excess zones on BaF2 surface are perfect defects to water molecules anchoring, where water molecules feel more comfortable. Steps generated during the cleavage have specific and well defined crystallographic directions, and water molecules have preference and more affinity for the less energetic steps (with less atomic density). Finally, it is concluded that BaF2 is not a good three-dimensional nucleator because the conformation of water molecules onto the plane does not promote the ice formation, but the lattice constant and defects caused during the cleavage make it a good two-dimensional ice nucleator. The same studies were performed on CaF2, an isostructural compound of BaF2 but with a different lattice constant, which differs 14% from basal plane of the hexagonal ice (Ih). The experiments show chaotic and random water adsorption on CaF2 but with a certain preference to the steps. It can be concluded that the lattice constant is an important parameter to consider but is not the only parameter to take account. In chapter 5, the construction of an artificial surface with specific characteristics is proposed. The goal is to create a surface capable to induce water freezing. The technique used for this purpose is the Langmuir-Blodgett trough, which allows a monolayer formation in the liquid-gas interface that can be transferred to a solid substrate. Depending on the surface, hydrophilic or hydrophobic monolayers are obtained. Although water adsorption with AFM was studied yet in this thesis, we were able to form hydrophobic surfaces from hydrophilic substrates (mica) and hydrophilic surfaces from hydrophobic substrates (graphite). The molecules used for this purpose are long chain aliphatic alcohols, studied in the bibliography as probably good ice nucleators. In chapter 4 our attention is diverted to the study of residual charge produced on the surfaces. Due to the electronic properties of graphene, it was thought appropriate to use it as a model surface. Using the AFM tip charge was injected onto a graphene sheet deposited on a silicon oxide wafer, and discharging of the graphene sheet was observed. The charge spreading to the silicon oxide depends on the relative humidity. The role of adsorbed water in the discharge of surfaces was analysed. This work also demonstrated that the probe dimensions have critical influence on the electrostatic measures in AFM
Study of interfacial water at the nanoscale at ambient conditions with SPM
La tesi que es presenta es veu emmarcada dins l’à rea de ciència de superfĂcies. Dos dels grans temes desenvolupats en aquesta tesi estan relacionats amb l’estudi de superfĂcies amb constants de xarxa (distĂ ncies atòmiques que componen la molècula) properes a la del pla basal de la fase hexagonal del gel (Ih) (el gel mĂ©s comĂş a l’escorça terrestre). L’objectiu d’aquesta premissa Ă©s veure com superfĂcies que tenen la constant de xarxa propera a la del gel (Ih) provoquen que l’aigua d’origen atmosfèric s’adsorbeixi a sobre en forma d’aigua en estat sòlid (gel) i no en forma d’aigua lĂquida a temperatures relativament altes. Aquest tipus de superfĂcies tindrien grans utilitats en processos meteorològics tals com la inducciĂł de pluja, comercialitzaciĂł de productes propulsors de neu artificial o simplement per a conèixer els lĂmits de congelaciĂł de l’aigua en sistemes biològics.
En el capĂtol 3, es presenta el BaF2 com a possible nucleador de gel sobre la seva superfĂcie, ja que la seva constant de xarxa difereix nomĂ©s un 4% de la del gel (Ih). Amb l’ajuda d’un microscopi de forces atòmiques (AFM) s’ha pogut observar com les molècules d’aigua difonen fĂ cilment sobre la seva superfĂcie, i a mĂ©s a mĂ©s aquestes tenen preferència en la seva acomodaciĂł. S’ha observat que els esglaons de BaF2 i les zones que tenen un excĂ©s de cĂ rrega degut al clivatge, sĂłn els defectes ideals per l’aigua, ja que s’hi sent molt mĂ©s còmode. Aquests esglaons generats durant el clivatge tenen unes direccions cristal·logrĂ fiques concretes i ben definides, i l’aigua no tĂ© una preferència aleatòria per ells sinĂł que, contrĂ riament del que pensĂ vem, les molècules d’aigua tenen en general mĂ©s afinitat per aquells esglaons menys energètics, amb menys densitat d’à toms al descobert. El BaF2 no Ă©s un bon nucleador pel que fa al creixement de gel tridimensional, ja que la conformaciĂł que adopten les molècules d’aigua paral·lela al pla no afavoreix la formaciĂł de gel tridimensional, però grĂ cies a la seva constant de xarxa i als defectes ocasionats durant el clivatge resulta que Ă©s un nucleador bidimensional. S’ha seguit el mateix patrĂł pel CaF2, un compost isoestructural del BaF2, amb la diferència que tĂ© una constant de xarxa mĂ©s petita, que difereix un 14% respecte la cara basal del gel (Ih). Els experiments realitzats mostren com l’aigua s’hi adsorbeix de manera aleatòria i mĂ©s caòtica, tot i que tĂ© certa preferència pels esglaons com en el cas del BaF2. Podem concloure doncs, que la constant de xarxa Ă©s un parĂ metre molt important, però no Ă©s l’únic.
En el capĂtol 5, es planteja l’opciĂł d’obtenir una superfĂcie de manera artificial, amb les caracterĂstiques que busquem per tal que l’aigua s’hi adsorbeixi en forma de gel (Ih) fĂ cilment. La tècnica utilitzada per aquest propòsit Ă©s la Langmuir-Blodgett, la qual ens permet fer monocapes en l’interfase lĂquid-gas, i es poden transferir a una superfĂcie sòlida. Depenent de la superfĂcie, obtindrem monocapes hidrofòbiques o hidrofĂliques. Tot i que l’objectiu llunyĂ Ă©s formar una monocapa ideal i observar a travĂ©s de l’AFM com s’adsorbeix l’aigua a sobre, fins ara s’ha aconseguit formar superfĂcies hidrofĂliques a partir de substrats hidrofòbics (grafit) i tambĂ© formar superfĂcies hidrofòbiques a partir de substrats hidrofĂlics (mica). Les molècules utilitzades per a la formaciĂł de les monocapes sĂłn alcohols alifĂ tics de cadena llarga, estudiats a la bibliografia com a possibles bons nucleadores de gel.
En el capĂtol 4, l’atenciĂł es veu desviada per l’investigaciĂł de la cĂ rrega residual que es produeix a sobre de les superfĂcies. Per les propietats electròniques que tĂ© el grafè, es va creure convenient fer-lo servir de superfĂcie model. A travĂ©s de la punta d’AFM s’ha injectat cĂ rrega a una lĂ mina de grafè sobre òxid de silici, i s’ha vist com la cĂ rrega provocada per la punta es va dissipant cap a l’òxid de silici en funciĂł de la humitat relativa. Amb aquest estudi es va poder analitzar l’efecte de cĂ rrega residual en superfĂcies i el rol que hi juga l’aigua. En aquest treball tambĂ© es va fer pal·lesa que les dimensions de la punta determinaven fortament les mesures electroestĂ tiques en AFM.This thesis is framed into the surface science area. Two main chapters developed in the present work are related to the study of surfaces with lattice constant near to the basal plane of the hexagonal ice (Ih) (the most common ice on Earth). The main goal of this topic is observe how these surfaces induce water adsorption on its surfaces as solid water at high temperatures. These surfaces could be used in meteorological processes such as rain induction, snow making industry or the knowledge of the freezing limits of water in biological systems.
In chapter 3, BaF2 is presented as a possible ice nucleation because its lattice constant differs only 4% respect to the basal plane of the hexagonal ice (Ih). With the help of an Atomic Force Microscopy (AFM) it can be observed how water molecules easily spread on the surface and showing adsorption preferences. It was observed that steps and charge excess zones on BaF2 surface are perfect defects to water molecules anchoring, where water molecules feel more comfortable. Steps generated during the cleavage have specific and well defined crystallographic directions, and water molecules have preference and more affinity for the less energetic steps (with less atomic density). Finally, it is concluded that BaF2 is not a good three-dimensional nucleator because the conformation of water molecules onto the plane does not promote the ice formation, but the lattice constant and defects caused during the cleavage make it a good two-dimensional ice nucleator. The same studies were performed on CaF2, an isostructural compound of BaF2 but with a different lattice constant, which differs 14% from basal plane of the hexagonal ice (Ih). The experiments show chaotic and random water adsorption on CaF2 but with a certain preference to the steps. It can be concluded that the lattice constant is an important parameter to consider but is not the only parameter to take account.
In chapter 5, the construction of an artificial surface with specific characteristics is proposed. The goal is to create a surface capable to induce water freezing. The technique used for this purpose is the Langmuir-Blodgett trough, which allows a monolayer formation in the liquid-gas interface that can be transferred to a solid substrate. Depending on the surface, hydrophilic or hydrophobic monolayers are obtained. Although water adsorption with AFM was studied yet in this thesis, we were able to form hydrophobic surfaces from hydrophilic substrates (mica) and hydrophilic surfaces from hydrophobic substrates (graphite). The molecules used for this purpose are long chain aliphatic alcohols, studied in the bibliography as probably good ice nucleators.
In chapter 4 our attention is diverted to the study of residual charge produced on the surfaces. Due to the electronic properties of graphene, it was thought appropriate to use it as a model surface. Using the AFM tip charge was injected onto a graphene sheet deposited on a silicon oxide wafer, and discharging of the graphene sheet was observed. The charge spreading to the silicon oxide depends on the relative humidity. The role of adsorbed water in the discharge of surfaces was analysed. This work also demonstrated that the probe dimensions have critical influence on the electrostatic measures in AFM