A finalidade da presente dissertação é desenvolver uma teoria de suspensões coloidais com contraÍons multivalentes. O objetivo é calcular o perfil de densidáde dos contraÍons no modelo de cela de Wigner-Seitz esférica. Uma nova condição de contorno para a equação de Poisson- Boltzmann (PB) é deduzida; essa condição de contorno é justificada pelo fato de que em sistemas fortemente correlacionados, a maioria dos contraíons estão condensados nos coloides. Contraíons que estão longe das partículas coloidais vão estar em um regime disperso, no qual a equação de PB continua válida. Para obter a condição de contorno para a equação de PB, seguindo Shklovskii, consideramos o equilíbrio termodinâmico entre os contraíons condensados, que são modelados como um líquido fortemente correlacionado - o plasma de um componente -, e os contraíons no regime disperso. A densidade efetiva de contraíons na camada que envolve a partícula coloidal é obtida usando um procedimento do tipo "coarse graining". Um procedimento de comparação permite-nos conectar os dois regimes através da nova condição de contorno. O método é diferente do originalmente preconizado por Shklovskii, que usou o raio do contraíon para definir a concentração dos contraíons condensados. / The goal of the present dissertation is to develop a theory of colloidal suspensions with multivalent counterions. The objective is to calculate the counterion density profile within a spherical Wigner Seitz cell model. A new boundary condition for the Poisson-Boltzmann (PB) equation is derived. This boundary condition is justified by the fact that in a strongly correlated system, most of the counterions are condensed onto colloids. Counterions which are far from colloidal particles will be in a disperse regime in which the PB equation remains valid. To get the boundary condition for the PB equation, following Shklovskii, we consider the thermodynamic equilibrium between the condensed counterions, which are modeled as a strongly correlated fluid - the one component plasma - and the counterion in the disperse regime. The effective counterion density in the shealth surrounding the colloidal particle is obtained using a coarse graining procedure. A matching procedure allows us to connect the two regimes through the new boundary condition. The method is different from the one originally advacated by Shklovskii, who used the counterion radius to define the concentration of condensed counterions.

A finalidade da presente dissertação é desenvolver uma teoria de suspensões coloidais com contraÍons multivalentes. O objetivo é calcular o perfil de densidáde dos contraÍons no modelo de cela de Wigner-Seitz esférica. Uma nova condição de contorno para a equação de Poisson- Boltzmann (PB) é deduzida; essa condição de contorno é justificada pelo fato de que em sistemas fortemente correlacionados, a maioria dos contraíons estão condensados nos coloides. Contraíons que estão longe das partículas coloidais vão estar em um regime disperso, no qual a equação de PB continua válida. Para obter a condição de contorno para a equação de PB, seguindo Shklovskii, consideramos o equilíbrio termodinâmico entre os contraíons condensados, que são modelados como um líquido fortemente correlacionado - o plasma de um componente -, e os contraíons no regime disperso. A densidade efetiva de contraíons na camada que envolve a partícula coloidal é obtida usando um procedimento do tipo "coarse graining". Um procedimento de comparação permite-nos conectar os dois regimes através da nova condição de contorno. O método é diferente do originalmente preconizado por Shklovskii, que usou o raio do contraíon para definir a concentração dos contraíons condensados. / The goal of the present dissertation is to develop a theory of colloidal suspensions with multivalent counterions. The objective is to calculate the counterion density profile within a spherical Wigner Seitz cell model. A new boundary condition for the Poisson-Boltzmann (PB) equation is derived. This boundary condition is justified by the fact that in a strongly correlated system, most of the counterions are condensed onto colloids. Counterions which are far from colloidal particles will be in a disperse regime in which the PB equation remains valid. To get the boundary condition for the PB equation, following Shklovskii, we consider the thermodynamic equilibrium between the condensed counterions, which are modeled as a strongly correlated fluid - the one component plasma - and the counterion in the disperse regime. The effective counterion density in the shealth surrounding the colloidal particle is obtained using a coarse graining procedure. A matching procedure allows us to connect the two regimes through the new boundary condition. The method is different from the one originally advacated by Shklovskii, who used the counterion radius to define the concentration of condensed counterions.

Neste trabalho abordam-se alguns aspectos numéricos relacionados ao movimento de uma partícula carregada em um fluido ionizado, constituindo assim o fenômeno de eletroforese. A equação de Navier-Stokes governa a hidrodinâmica do sistema, sendo atribuída a esta um termo forçante relacionado a equação de Poisson-Boltzmann que descreve a interação com o campo elétrico. A simulação foi realizada utilizando a linguagem Fortran 90 e as discretizações foram feitas pelo método de diferenças finitas junto as equações governantes. Para descrever a posição da partícula foi usada a técnica de fronteira virtual, onde são criados pontos lagrangeanos sobre,o contorno da partícula formando uma espécie de segunda malha. Foram feitos testes com objetivo de validar as equações governantes e identificar a influencia das condições de contorno direção da partícula. / In this work we study some of the numerical aspects related to the motion of a charged particle in an ionized fluid, known as the phenomenon of electrophoresis. The Navier-Stokes equations models the ,hydrodynamics of the system, with the addition of a forcing term, related to the Poisson-Boltzmann equation, which describes the interaction of the electric field. The simulation was performed using Fortran 90 and discretizations were made by the method of finite differences applied to the governing equations. To describe the position of the particle the technique of virtual boundary is used, where Lagrangean points are created around the circumference of the particle forming a sort of second mesh. Tests were made with the objective of validating the governing equations and to identify the influence of boundary conditions in the direction of the particle.

Na presente Tese, vamos desenvolver teorias para eletrólitos próximos de interfaces e para suspensões coloidais carregadas. No caso de interfaces, a nova teoria permite-nos calcular quantitativamente tensões e potenciais superficiais, e perfis de densidade para ambas interfaces água-ar e água-óleo. Para suspensões coloidais hidrofóbicas, a teoria permite-nos calcular as concentrações críticas de coagulação (CCC) para várias soluções eletrolíticas. Os resultados teóricos estão em excelente acordo com dados experimentais. A interação iônica com interfaces é relacionada com a classificação dos íons em caotrópicos e cosmotrópicos. A teoria, portanto, traz novo enfoque a série de Hofmeister que governa a estabilidade de soluções proteicas. Em suspensões coloidais, estudamos também o papel das correlações eletrostáticas na distribuição de íons multivalentes próximos da superfície coloidal. Uma nova teoria é introduzida que nos permite incluir as correlações interiônicas como uma nova condição de contorno renormalizada para a equação de Poisson-Boltzmann. Os perfis de densidade calculados são comparados com simulações de Monte Carlo, demonstrando uma boa concordância. Finalmente, exploramos o papel da polarizabilidade coloidal na distribuição iônica. Encontramos que a polarizabilidade causa a repulsão superficial dos contraíons e pode afetar a mobilidade eletroforética de partículas coloidais. / In the present Thesis we will develop theories for electrolytes near interfaces and for charge stabilized colloidal suspensions. In the case of interfaces the new theory allows us to quantitatively calculate surface tensions, surface potentials, and the ionic density profiles both for the water-air and the water-oil interfaces. For the hydrophobic colloidal suspensions, the theory allows us to calculate the critical coagulation concentrations (CCC) for various electrolyte solutions. The theoretical results are found to be in excellent agreement with the experimental data. The ionic interaction with the interfaces is found to be related to the classification of ions into chatropes and kosmotropes. The theory, therefore, sheds new light on the Hofmeister series which governs the stability of protein solutions. For colloidal suspensions, we also study the role of electrostatic correlations on the distribution of multivalent ions near the colloidal surface. A new theory is introduced which allows us to include the interionic correlations as a renormalized boundary condition for the Poisson-Boltzmann equation. The calculated ionic density profiles are then compared with the Monte Carlo simulations, showing a good agreement. Finally, we explore the role of colloidal polarizability on the ionic distribution. We find that polarizability causes the counterion repulsion from the surface and can affect the electrophoretic mobility of colloidal particles.

Neste trabalho abordam-se alguns aspectos numéricos relacionados ao movimento de uma partícula carregada em um fluido ionizado, constituindo assim o fenômeno de eletroforese. A equação de Navier-Stokes governa a hidrodinâmica do sistema, sendo atribuída a esta um termo forçante relacionado a equação de Poisson-Boltzmann que descreve a interação com o campo elétrico. A simulação foi realizada utilizando a linguagem Fortran 90 e as discretizações foram feitas pelo método de diferenças finitas junto as equações governantes. Para descrever a posição da partícula foi usada a técnica de fronteira virtual, onde são criados pontos lagrangeanos sobre,o contorno da partícula formando uma espécie de segunda malha. Foram feitos testes com objetivo de validar as equações governantes e identificar a influencia das condições de contorno direção da partícula. / In this work we study some of the numerical aspects related to the motion of a charged particle in an ionized fluid, known as the phenomenon of electrophoresis. The Navier-Stokes equations models the ,hydrodynamics of the system, with the addition of a forcing term, related to the Poisson-Boltzmann equation, which describes the interaction of the electric field. The simulation was performed using Fortran 90 and discretizations were made by the method of finite differences applied to the governing equations. To describe the position of the particle the technique of virtual boundary is used, where Lagrangean points are created around the circumference of the particle forming a sort of second mesh. Tests were made with the objective of validating the governing equations and to identify the influence of boundary conditions in the direction of the particle.

Neste trabalho abordam-se alguns aspectos numéricos relacionados ao movimento de uma partícula carregada em um fluido ionizado, constituindo assim o fenômeno de eletroforese. A equação de Navier-Stokes governa a hidrodinâmica do sistema, sendo atribuída a esta um termo forçante relacionado a equação de Poisson-Boltzmann que descreve a interação com o campo elétrico. A simulação foi realizada utilizando a linguagem Fortran 90 e as discretizações foram feitas pelo método de diferenças finitas junto as equações governantes. Para descrever a posição da partícula foi usada a técnica de fronteira virtual, onde são criados pontos lagrangeanos sobre,o contorno da partícula formando uma espécie de segunda malha. Foram feitos testes com objetivo de validar as equações governantes e identificar a influencia das condições de contorno direção da partícula. / In this work we study some of the numerical aspects related to the motion of a charged particle in an ionized fluid, known as the phenomenon of electrophoresis. The Navier-Stokes equations models the ,hydrodynamics of the system, with the addition of a forcing term, related to the Poisson-Boltzmann equation, which describes the interaction of the electric field. The simulation was performed using Fortran 90 and discretizations were made by the method of finite differences applied to the governing equations. To describe the position of the particle the technique of virtual boundary is used, where Lagrangean points are created around the circumference of the particle forming a sort of second mesh. Tests were made with the objective of validating the governing equations and to identify the influence of boundary conditions in the direction of the particle.

Na presente Tese, vamos desenvolver teorias para eletrólitos próximos de interfaces e para suspensões coloidais carregadas. No caso de interfaces, a nova teoria permite-nos calcular quantitativamente tensões e potenciais superficiais, e perfis de densidade para ambas interfaces água-ar e água-óleo. Para suspensões coloidais hidrofóbicas, a teoria permite-nos calcular as concentrações críticas de coagulação (CCC) para várias soluções eletrolíticas. Os resultados teóricos estão em excelente acordo com dados experimentais. A interação iônica com interfaces é relacionada com a classificação dos íons em caotrópicos e cosmotrópicos. A teoria, portanto, traz novo enfoque a série de Hofmeister que governa a estabilidade de soluções proteicas. Em suspensões coloidais, estudamos também o papel das correlações eletrostáticas na distribuição de íons multivalentes próximos da superfície coloidal. Uma nova teoria é introduzida que nos permite incluir as correlações interiônicas como uma nova condição de contorno renormalizada para a equação de Poisson-Boltzmann. Os perfis de densidade calculados são comparados com simulações de Monte Carlo, demonstrando uma boa concordância. Finalmente, exploramos o papel da polarizabilidade coloidal na distribuição iônica. Encontramos que a polarizabilidade causa a repulsão superficial dos contraíons e pode afetar a mobilidade eletroforética de partículas coloidais. / In the present Thesis we will develop theories for electrolytes near interfaces and for charge stabilized colloidal suspensions. In the case of interfaces the new theory allows us to quantitatively calculate surface tensions, surface potentials, and the ionic density profiles both for the water-air and the water-oil interfaces. For the hydrophobic colloidal suspensions, the theory allows us to calculate the critical coagulation concentrations (CCC) for various electrolyte solutions. The theoretical results are found to be in excellent agreement with the experimental data. The ionic interaction with the interfaces is found to be related to the classification of ions into chatropes and kosmotropes. The theory, therefore, sheds new light on the Hofmeister series which governs the stability of protein solutions. For colloidal suspensions, we also study the role of electrostatic correlations on the distribution of multivalent ions near the colloidal surface. A new theory is introduced which allows us to include the interionic correlations as a renormalized boundary condition for the Poisson-Boltzmann equation. The calculated ionic density profiles are then compared with the Monte Carlo simulations, showing a good agreement. Finally, we explore the role of colloidal polarizability on the ionic distribution. We find that polarizability causes the counterion repulsion from the surface and can affect the electrophoretic mobility of colloidal particles.

Na presente Tese, vamos desenvolver teorias para eletrólitos próximos de interfaces e para suspensões coloidais carregadas. No caso de interfaces, a nova teoria permite-nos calcular quantitativamente tensões e potenciais superficiais, e perfis de densidade para ambas interfaces água-ar e água-óleo. Para suspensões coloidais hidrofóbicas, a teoria permite-nos calcular as concentrações críticas de coagulação (CCC) para várias soluções eletrolíticas. Os resultados teóricos estão em excelente acordo com dados experimentais. A interação iônica com interfaces é relacionada com a classificação dos íons em caotrópicos e cosmotrópicos. A teoria, portanto, traz novo enfoque a série de Hofmeister que governa a estabilidade de soluções proteicas. Em suspensões coloidais, estudamos também o papel das correlações eletrostáticas na distribuição de íons multivalentes próximos da superfície coloidal. Uma nova teoria é introduzida que nos permite incluir as correlações interiônicas como uma nova condição de contorno renormalizada para a equação de Poisson-Boltzmann. Os perfis de densidade calculados são comparados com simulações de Monte Carlo, demonstrando uma boa concordância. Finalmente, exploramos o papel da polarizabilidade coloidal na distribuição iônica. Encontramos que a polarizabilidade causa a repulsão superficial dos contraíons e pode afetar a mobilidade eletroforética de partículas coloidais. / In the present Thesis we will develop theories for electrolytes near interfaces and for charge stabilized colloidal suspensions. In the case of interfaces the new theory allows us to quantitatively calculate surface tensions, surface potentials, and the ionic density profiles both for the water-air and the water-oil interfaces. For the hydrophobic colloidal suspensions, the theory allows us to calculate the critical coagulation concentrations (CCC) for various electrolyte solutions. The theoretical results are found to be in excellent agreement with the experimental data. The ionic interaction with the interfaces is found to be related to the classification of ions into chatropes and kosmotropes. The theory, therefore, sheds new light on the Hofmeister series which governs the stability of protein solutions. For colloidal suspensions, we also study the role of electrostatic correlations on the distribution of multivalent ions near the colloidal surface. A new theory is introduced which allows us to include the interionic correlations as a renormalized boundary condition for the Poisson-Boltzmann equation. The calculated ionic density profiles are then compared with the Monte Carlo simulations, showing a good agreement. Finally, we explore the role of colloidal polarizability on the ionic distribution. We find that polarizability causes the counterion repulsion from the surface and can affect the electrophoretic mobility of colloidal particles.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+ / In this work, the ionic partition and the membrane potential in an erythrocyte are analyzed by modified Poisson-Boltzmann equation, considering non-electrostatic interactions between ions and macromolecules as well as the β potential. This potential is attributed to the difference in chemical potential reference states between intracellular and extracellular environment and the active transport of ions. The Gibbs-Donnan potential is also studied usingthe Poisson-Boltzmann equation with fixed chargeon a system containing a semipermeable membrane. The second order spline finite elements methodin a steady one-dimensional system is applied to solve the Poisson-Boltzmann equation in Cartesian and spherical coordinates.The dispersion parameter of the non-electrostatic interactions is calculated by Lifshitztheory. The results regarding the Gibbs-Donnan potential are adequate and can be calculated by the Poisson-Boltzmann equation. In a system containing an erythrocyte, when the β potential is considered equal to zero, it doesnt check the ionic difference observed experimentally between the intracellular and extracellular environment. Thus, non-electrostatic interactions calculated by Lifshitz theory have only a small influence in the high K+level inside cells while keeping Na+ outside

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+ / In this work, the ionic partition and the membrane potential in an erythrocyte are analyzed by modified Poisson-Boltzmann equation, considering non-electrostatic interactions between ions and macromolecules as well as the β potential. This potential is attributed to the difference in chemical potential reference states between intracellular and extracellular environment and the active transport of ions. The Gibbs-Donnan potential is also studied usingthe Poisson-Boltzmann equation with fixed chargeon a system containing a semipermeable membrane. The second order spline finite elements methodin a steady one-dimensional system is applied to solve the Poisson-Boltzmann equation in Cartesian and spherical coordinates.The dispersion parameter of the non-electrostatic interactions is calculated by Lifshitztheory. The results regarding the Gibbs-Donnan potential are adequate and can be calculated by the Poisson-Boltzmann equation. In a system containing an erythrocyte, when the β potential is considered equal to zero, it doesnt check the ionic difference observed experimentally between the intracellular and extracellular environment. Thus, non-electrostatic interactions calculated by Lifshitz theory have only a small influence in the high K+level inside cells while keeping Na+ outside