Study of the interaction between polarizable nanoparticles

Abstract

In this thesis, we explore the electrostatic interactions between conducting and nonpolarizable nanoparticles in electrolyte solutions containing monovalent and multivalent counterions. For monovalent electrolytes, we compare results from the non-linear Poisson-Boltzmann equation and Monte Carlo simulations, demonstrating excellent agreement for conducting nanoparticles under room temperature conditions. For multivalent counterions, Monte Carlo simulations reveal that these interactions are strongly influenced by the nanoparticle material and conducting nanoparticles are more susceptible to aggregation due to strong attractive interactions, particularly at short separations, where these forces rival dispersion interactions. We also investigate confinement effects on electrostatic interactions between charged metallic nanoparticles in monovalent electrolytes. By deriving a new boundary condition for the PoissonBoltzmann equation, we calculate the electrostatic force as a function of surface separation, analyzing the influence of confinement, cylinder charge density, and salt concentration. Our findings show that like-charged metallic nanoparticles experience suppressed attraction when confined by a similarly charged cylindrical surface, with local charge densities playing a crucial role.

Nesta tese, exploramos as interações eletrostáticas entre nanopartículas condutoras e nanopartículas não polarizáveis em soluções eletrolíticas contendo contra-íons monovalentes e multivalentes. Para eletrólitos monovalentes, comparamos os resultados obtidos a partir da equação não linear de Poisson-Boltzmann e de simulações de Monte Carlo, demonstrando uma excelente concordância para nanopartículas condutoras em condições de temperatura ambiente. Para contra-íons multivalentes, as simulações de Monte Carlo revelam que essas interações são fortemente influenciadas pelo material das nanopartículas, sendo que nanopartículas condutoras são mais suscetíveis à agregação devido a fortes interações atrativas, especialmente em separações curtas, onde essas forças competem com as interações de dispersão. Também investigamos os efeitos do confinamento nas interações eletrostáticas entre nanopartículas metálicas carregadas em eletrólitos monovalentes. Ao derivar uma nova condição de contorno para a equação de Poisson-Boltzmann, calculamos a força eletrostática em função da separação entre superfícies, analisando a influência do confinamento, da densidade de carga do cilindro e da concentração de sal. Nossos resultados mostram que nanopartículas metálicas carregadas com o mesmo sinal experimentam uma atração reduzida quando confinadas por uma superfície cilíndrica com a mesma carga, com as densidades de carga locais desempenhando um papel crucial.