Driven soft matter at the nanoscale

Abstract

[eng] This thesis will present a body of articles on the research topic of soft matter. Soft matter is a research subfield of condensed matter, where the energy required for deforming the media is comparable to that of thermal fluctuations. Tipical lengthscales of these systems are of the order of micrometer (10^(-6) m) and the nanometer (10^(-6) m). It encompasses a broad range of topics, since in soft matter fluids, life and interacting matter meet. The complexity of the coupling between different interactions in soft matter can result in complex emergent responses and in a rich variety of laws that we need to understand if we want to control matter at the micro and nanoscales. In the last years, thanks to the rise of computational power, soft matter has progresively included more and more simulation methodologies to predict experimental results and pose new challenges for understanding complex behaviours at these scales. Here, the emphasis is put on the computational modelling of driven soft matter. We will present a compendium of publications, where different simulation methodologies are exploited for explaining experiments and for setting experimental challenges to be tested. We classify the presented works in two parts, the scientific approach of which differ notorously. In the first part, experiments were available and the objective was to understand emergent responses reported in the lab. Since the outcome was alreadyknown, we used simple simulation methodologies that delved into the fundamental mechanisms that lead to the response of interest. The focus of the subjects, althought diverse, was centered around dynamics of colloidal suspensions, hence a mixture of a majoritary liquid phase with a minoritary solid phase. In the second part of the thesis, we employed simulations that rigorously solved the hydrodynamics coupled to the physics of the free energy of interest. The goal was to investigate novel experimental setups, the outcome of which was unknown due to the early stage of the subject. With the simulation results, we built theories that explained the observed phenomena, setting the basis for future experimental explorations. This last part focused on two independent topics, namely, capillary driven spontaneous in lubricant infused surfaces and electrolites in charge-patterned confined nanochannels.

[spa] En esta tesis se presentarán una serie de artículos en el área de investigación de la materia blanda. La materia blanda es un subcampo de la materia condensada, en el que la energía típica de los sistemas es del orden de magnitud del de las fluctuaciones térmicas. Las escalas en las que se trabaja la materia blanda suelen ser la escala micrométrica (10^(-6) m) y la nanométrica (10^(-9) m), y en estas escalas la física de fluidos convive con la física de la vida y la de la materia interacuante. Esta mezcla de interacciones puede resultar en un alto grado de complejidad y en un sín fin de respuestas emergentes que aún quedan por entender. En estos últimos años, gracias al avanze del poder computacional, se han desarrollado en la materia blanda muchas metodologías de simulación que ahora se pueden utilizar para estudiar muchas de las preguntas que aun quedan sin respuesta en la materia blanda. En esta tesis, haremos énfasis en la modelizacion computacional en este tipo de materia. Presentaremos un compendio de publicaciones, en las que hemos utilizado diferentes métodos de simulación para explicar experimentos y para postular nuevos desafíos experimentales. La tesis se divide en dos partes donde el enfoque científico varía: En la primera parte, mas centrada en coloides y micronadadores, se utilizan modelos computacionales simples para explicar efectos emergentes en experimentos de materia blanda. En la segunda parte, centrada en dinámica de fluidos, capilaridad y electrolitos se utilizan métodos mas sofisticados para intentar predecir, esta vez sin evidencia experimental alguna, los posíbles escenarios a los que podría llevar una realización experimental. Tomada en su totalidad, esta tesis se puede entender como un enfoque práctico a la hora de escoger métodos de simulación en la micro y nanoescala.