Thesis:

Estudio numérico de la influencia de la dispersión y overlapping de partículas primarias en la morfología de agregados de nanopartículas de hollín

The agglomeration of nanoparticles leads to the formation of aggregates whose morphology is poorly described using Euclidean geometry. Fractal geometry, on the other hand, allows a quantitative description of the morphology of such aggregates. The experimental application of this geometry is carried out based on the thermophoretic sampling technique with the subsequent transmission electron microscopy (TEM) generation of digital images. These studies have reported several morphological characteristics of these aggregates, including: polydisperse sizes and overlapping of primary particles, polydispersity in aggregate size, and number of primary particles. The aggregates’ mass and area were found to increase monotonically with primary particle polydispersity, which was demonstrated analytically for aggregates consisting of a large number of primary particles. The kind of primary particle size distribution studied (normal or lognormal) limits the maximum polydispersity level they can describe, and therefore its effect on aggregate morphology. The shape of the coordination number distribution function was found to be very sensitive to the polydispersity level of monomers with a lognormal PPSD; the anisotropy coefficient declined steadily when increasing monomer polydispersity, meanwhile the radius of gyration did not change considerably. For monomers with a normal size distribution, no considerable effects on morphology were found for the range of polydispersity analyzed. On the other hand, large anisotropy coefficients were found when adding overlapping to primary particles. Experimental studies of soot morphology based on TEM image analysis usually neglect the potential effects of primary particle polydispersity and overlapping. In this study, fractal aggregates of different sizes consisting of polydisperse and overlapping primary particles were numerically generated using a fractal dimension and prefactor relevant to soot. A total of 3600 two-dimensional projections for each condition studied were produced and analyzed using two TEM image analysis methods commonly used in the combustion and aerosol communities to evaluate the effects of primary particle polydispersity and overlapping on the recovered morphological parameters of soot. The method of Tian et al. (2006) performs better in recovering the number of primary particles in an aggregate, the fractal dimension, and the prefactor than the method of Brasil et al. (1999). The effects of primary particle polydispersity and overlapping are found to slightly decrease the derived fractal dimension and to increase the derived prefactor. Overall, the recovered fractal dimension displays a weak dependence on primary particle polydispersity and overlapping.

La aglomeración de nanopartículas conduce a la formación de agregados cuya morfología está pobremente descrita utilizando la geometría euclidiana. La geometría fractal, por otro lado, permite una descripción cuantitativa de la morfología de dichos agregados. La aplicación experimental de esta geometría se lleva a cabo con base en la técnica de muestreo termoforético con la subsiguiente generación de imágenes digitales por microscopía electrónica de transmisión (TEM). Estos estudios han reportado varias características morfológicas de estos agregados, incluyendo: tamaños polidispersos y superposición de partículas primarias, polidispersidad en el tamaño del agregado y número de partículas primarias. Se encontró que la masa y el área de los agregados aumentan monótonamente con la polidispersidad de partículas primarias, lo cual se demostró analíticamente para agregados que consisten en un gran número de partículas primarias. El tipo de distribución del tamaño de partícula primaria estudiada (normal o lognormal) limita el nivel máximo de polidispersidad que pueden describir y, por lo tanto, su efecto sobre la morfología del agregado. Se encontró que la forma de la función de distribución del número de coordinación es muy sensible al nivel de polidispersidad de monómeros con una PPSD lognormal; el coeficiente de anisotropía disminuyó de forma constante al aumentar la polidispersidad del monómero, mientras que el radio de giro no cambió considerablemente. Para los monómeros con una distribución de tamaño normal, no se encontraron efectos considerables en la morfología para el rango de polidispersidad analizado. Por otro lado, se encontraron grandes coeficientes de anisotropía al agregar superposición a las partículas primarias. Los estudios experimentales de la morfología del hollín basados ​​en el análisis de imágenes TEM generalmente ignoran los efectos potenciales de la polidispersidad y la superposición de partículas primarias. En este estudio, se generaron numéricamente agregados fractales de diferentes tamaños que consisten en partículas primarias polidispersas y superpuestas utilizando una dimensión fractal y un prefactor relevante para el hollín. Se produjo y analizó un total de 3600 proyecciones bidimensionales para cada condición estudiada utilizando dos métodos de análisis de imágenes TEM comúnmente utilizados en las comunidades de combustión y aerosoles para evaluar los efectos de la polidispersidad y la superposición de partículas primarias en los parámetros morfológicos recuperados del hollín. El método de Tian et al. (2006) presenta un mejor rendimiento en la recuperación del número de partículas primarias en un agregado, la dimensión fractal y el prefactor que el método de Brasil et al. (1999). Se ha observado que los efectos de la polidispersidad y la superposición de las partículas primarias disminuyen ligeramente la dimensión fractal derivada y aumentan el prefactor derivado. En general, la dimensión fractal recuperada muestra una ligera dependencia de la polidispersidad y la superposición de las partículas primarias.