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Composite materials generally consist of different components which individually exhibit an entirely different material behaviour than within the composite. Here, two immiscible liquids are stabilised with solid particles forming liquid-liquid emulsions. Solid stabilised emulsions, also known as Pickering emulsions, have been thoroughly studied and find application in many industrial sectors. In these emulsions one liquid is generally suspended within the other in the form of droplets. Inspired by computer simulations, it should be possible to create a bicontinuous network of two immiscible liquids also stabilised with jammed particles. This will result in an attractive new material which could find possible industrial applications, for example as microreactors. This potential bicontinuous, interfacially jammed emulsion gel was dubbed bijel. Drawing together knowledge from different disciplines this thesis presents an experimental route to bijel formation. Accessing a certain type of phase separation called spinodal decomposition can be used to create a convoluted arrangement of bicontinuous interfaces. Liquid-liquid interfaces can be stabilised by exploiting the fact that solid particles can be irreversibly trapped at liquidliquid interfaces. Once trapped, the presence of the particles demands a minimum interfacial area between the two liquids. If the particles are jammed against each other this will result in the stabilisation of the liquid-liquid interfaces. To stabilise convoluted, bicontinuous interfaces in this way one type of particles must be able to concurrently stabilise two types of curvatures. Over the last three years it has been shown by several different research groups that this is possible. This thesis examines different types of temperature and pressure quenches on binary liquid systems to reach spinodal decomposition in the presence of particles. At the same time the ability of the particles to collect on the interfaces created during such phase separations is tested. It is found that temperature quenches through the critical point can lead to reproducible bijel formation resulting in the first experimental presentation of bijels. Using confocal microscopy the bijel formation process is studied in detail and properties of this new material are examined. To obtain insight into the behaviour of slowly ageing soft materials xray photon correlation spectroscopy is separately carried out on droplet emulsions.

Neste trabalho apresentamos uma revisão de métodos de simulação de energia eletrostática de sistemas de cargas e uma proposta de adaptação de algoritmo ultilizado na literatura de sistemas gravitacionais para estudo das propriedades estatísticas de sistemas coulombianos. Na primeira parte do estudo, revisamos os fundamentos teóricos do método de Ewald e suas condições de aplicabilidade, procurando esclarecer as referências mais importantes no assunto, que são de difícil compreensão, gerando equívocos na utilização do termo de dipolo. Detalhamos o estudo sobre a análise da convergência da série em que a técnica se baseia, bem como sua interpretação física mostrando a equivalência entre as duas abordagens . Na segunda parte do trabalho analisamos os fundamentos do Fast Multipole Method desenvolvido para interação gravitacional, para o qual construímos programas em linguagem C para uma versão na rede. Criamos um algoritmo que denominamos Fast Multipole Monte Carlo (FMMC) e desenvolvemos um programa para cálculo das propriedades termodinâmicas de sistemas coulombianos. Os programas são testados comparando resultados para a energia e propriedades térmicas do modelo LRPM com resultados de simulação através de cálculo direto. / In this work we present a review of methods of simulation for the electrostatic energy of charged systems and an adaptation of an algorithm from the literature on gravitational systems for the study of the statistical properties of Coulomb systems. In the first part of the work, we review the fundamentals for the theoretical method of Ewald and its conditions of applicability, seeking to clarify the most important references on the subject, which because of the involved mathematics, have led to misuse of the so-called dipole correction. We detail the study on the convergence of the series for the electrostatic potential on which the Ewald technique is based, as well as the physical interpretation given elsewhere, showing the equivalence between the two approaches. In the second part of this work, we analyse the foundations of the Fast Multipole Method developed for gravitational interactions, and present programs in C language for a network version of neutral charged systems. Finally, an algorithm, which we name Fast Multipole Monte Carlo, and the corresponding code for calculating the thermodynamic properties of Coulomb systems are presented. The programs are tested by comparing results for the energy and thermal properties of the Lattice Restricted Primitive model with results of simulations based on direct calculations for the Coulomb energies.

Neste trabalho apresentamos uma revisão de métodos de simulação de energia eletrostática de sistemas de cargas e uma proposta de adaptação de algoritmo ultilizado na literatura de sistemas gravitacionais para estudo das propriedades estatísticas de sistemas coulombianos. Na primeira parte do estudo, revisamos os fundamentos teóricos do método de Ewald e suas condições de aplicabilidade, procurando esclarecer as referências mais importantes no assunto, que são de difícil compreensão, gerando equívocos na utilização do termo de dipolo. Detalhamos o estudo sobre a análise da convergência da série em que a técnica se baseia, bem como sua interpretação física mostrando a equivalência entre as duas abordagens . Na segunda parte do trabalho analisamos os fundamentos do Fast Multipole Method desenvolvido para interação gravitacional, para o qual construímos programas em linguagem C para uma versão na rede. Criamos um algoritmo que denominamos Fast Multipole Monte Carlo (FMMC) e desenvolvemos um programa para cálculo das propriedades termodinâmicas de sistemas coulombianos. Os programas são testados comparando resultados para a energia e propriedades térmicas do modelo LRPM com resultados de simulação através de cálculo direto. / In this work we present a review of methods of simulation for the electrostatic energy of charged systems and an adaptation of an algorithm from the literature on gravitational systems for the study of the statistical properties of Coulomb systems. In the first part of the work, we review the fundamentals for the theoretical method of Ewald and its conditions of applicability, seeking to clarify the most important references on the subject, which because of the involved mathematics, have led to misuse of the so-called dipole correction. We detail the study on the convergence of the series for the electrostatic potential on which the Ewald technique is based, as well as the physical interpretation given elsewhere, showing the equivalence between the two approaches. In the second part of this work, we analyse the foundations of the Fast Multipole Method developed for gravitational interactions, and present programs in C language for a network version of neutral charged systems. Finally, an algorithm, which we name Fast Multipole Monte Carlo, and the corresponding code for calculating the thermodynamic properties of Coulomb systems are presented. The programs are tested by comparing results for the energy and thermal properties of the Lattice Restricted Primitive model with results of simulations based on direct calculations for the Coulomb energies.

As mudanças nas propriedades estruturais, eletrônicas, óticas e magnéticas de moléculas em aglomerados e em meio líquido são apresentadas. Para os aglomerados moleculares tais propriedades foram obtidas usando métodos ab initio tradicionais de mecânica quântica em configurações otimizadas de mínima energia. A fase líquida é mais complexa e ainda hoje se mostra como um desafio teórico. Modelos convencionais para a descrição teórica dos efeitos de solvente, como o campo de reação auto-consistente e a aproximação de aglomerado rígido, apesar de largamente aplicados não satisfazem importantes características da fase líquida como, por exemplo, a natureza estatística dos líquidos. Adicionalmente, interações específicas tais como, formação de ligações de hidrogênio e transferência de carga são mais difíceis de incluir. Modelos mais realísticos para tratar a estrutura eletrônica de sistemas líquidos envolvem algum tipo de simulação computacional. Entre estes, os métodos conhecidos como QM/MM são modelos híbridos aplicados com sucesso e que empregam tanto simulações clássicas como métodos de mecânica quântica. Existem hoje dois principais tipos de cálculos QM/MM. Nos cálculos convencionais, o sistema é particionado em duas regiões (clássica e quântica) e0 as interações são calculadas separada e simultaneamente. Nos cálculos seqüenciais QM/MM, as configurações do líquido são geradas via simulações clássicas e posteriormente submetidas a cálculos quânticos. Neste trabalho a metodologia seqüencial (Simulação/MQ) foi empregada no estudo de sistemas em fase líquida, como soluções aquosas de piridina e metanol e líquidos homogêneos como benzeno e água. Empregando simulações Monte Carlo ou Dinâmica Molecular as estruturas do líquido são geradas à temperatura ambiente para subsequentes cálculos quânticos. Os resultados para o líquido são comparados com aqueles obtidos para a molécula isolada e fornecem uma clara descrição dos efeitos de solvente. Entre as propriedades estudadas nesta tese estão energia de interação, momento de dipolo, freqüência vibracional, polarizabilidade, blindagem magnética e propriedades de espalhamento Raman e Rayleigh. / The changes of structural, electronic, optical and magnetic properties of molecules in clusters and in liquid phase are presented. For molecular clusters such properties were obtained using traditional and well defined quantum mechanics of initio methods in the minimum energy geometry - optimized configurations. The liquid phase is more complex and represents a current theoretical challenge. Conventional models for theoretical description of solvent effects, such as self-consistent reaction field and rigid cluster approximation, although widely applied do not satisfy important characteristics of the liquid phase such as the formation of hydrogen bonds and charge transfer are more difficult to include. More realistic models to treat the electronic structure of liquid systems include some sort of computer simulation. Among these the so-called QM/MM methods are successful hybrid models that uses both the classical simulation and quantum mechanics. There are now two main classes of QM/MM calculations. In the conventional QM/MM the system is partitioned into two regions (classical and quantum) and the interactions are calculated separated and simultaneously. In the sequential QM/MM, the configurations of the liquid are generated via classical simulations and subsequently the quantum calculations are performed. In this work the sequential methodology (Simulation/MQ) is used to study molecular systems in the liquid phase as aqueous solutions of pyridine and methanol and homogeneous liquid as water and benzene. Using Monte Carlo or Molecular Dynamics simulations liquid structures at room temperature are generated for subsequent quantum mechanics calculations. The results for the liquid are compared with those obtained for the isolated molecule and give a clear picture of the liquid effects. Among the properties studied in this thesis are interaction energies, dipole moments, vibrational frequencies, polarizabilities, magnetic shielding, chemical shift and optical properties of the Raman and Rayleigh scattering.

As mudanças nas propriedades estruturais, eletrônicas, óticas e magnéticas de moléculas em aglomerados e em meio líquido são apresentadas. Para os aglomerados moleculares tais propriedades foram obtidas usando métodos ab initio tradicionais de mecânica quântica em configurações otimizadas de mínima energia. A fase líquida é mais complexa e ainda hoje se mostra como um desafio teórico. Modelos convencionais para a descrição teórica dos efeitos de solvente, como o campo de reação auto-consistente e a aproximação de aglomerado rígido, apesar de largamente aplicados não satisfazem importantes características da fase líquida como, por exemplo, a natureza estatística dos líquidos. Adicionalmente, interações específicas tais como, formação de ligações de hidrogênio e transferência de carga são mais difíceis de incluir. Modelos mais realísticos para tratar a estrutura eletrônica de sistemas líquidos envolvem algum tipo de simulação computacional. Entre estes, os métodos conhecidos como QM/MM são modelos híbridos aplicados com sucesso e que empregam tanto simulações clássicas como métodos de mecânica quântica. Existem hoje dois principais tipos de cálculos QM/MM. Nos cálculos convencionais, o sistema é particionado em duas regiões (clássica e quântica) e0 as interações são calculadas separada e simultaneamente. Nos cálculos seqüenciais QM/MM, as configurações do líquido são geradas via simulações clássicas e posteriormente submetidas a cálculos quânticos. Neste trabalho a metodologia seqüencial (Simulação/MQ) foi empregada no estudo de sistemas em fase líquida, como soluções aquosas de piridina e metanol e líquidos homogêneos como benzeno e água. Empregando simulações Monte Carlo ou Dinâmica Molecular as estruturas do líquido são geradas à temperatura ambiente para subsequentes cálculos quânticos. Os resultados para o líquido são comparados com aqueles obtidos para a molécula isolada e fornecem uma clara descrição dos efeitos de solvente. Entre as propriedades estudadas nesta tese estão energia de interação, momento de dipolo, freqüência vibracional, polarizabilidade, blindagem magnética e propriedades de espalhamento Raman e Rayleigh. / The changes of structural, electronic, optical and magnetic properties of molecules in clusters and in liquid phase are presented. For molecular clusters such properties were obtained using traditional and well defined quantum mechanics of initio methods in the minimum energy geometry - optimized configurations. The liquid phase is more complex and represents a current theoretical challenge. Conventional models for theoretical description of solvent effects, such as self-consistent reaction field and rigid cluster approximation, although widely applied do not satisfy important characteristics of the liquid phase such as the formation of hydrogen bonds and charge transfer are more difficult to include. More realistic models to treat the electronic structure of liquid systems include some sort of computer simulation. Among these the so-called QM/MM methods are successful hybrid models that uses both the classical simulation and quantum mechanics. There are now two main classes of QM/MM calculations. In the conventional QM/MM the system is partitioned into two regions (classical and quantum) and the interactions are calculated separated and simultaneously. In the sequential QM/MM, the configurations of the liquid are generated via classical simulations and subsequently the quantum calculations are performed. In this work the sequential methodology (Simulation/MQ) is used to study molecular systems in the liquid phase as aqueous solutions of pyridine and methanol and homogeneous liquid as water and benzene. Using Monte Carlo or Molecular Dynamics simulations liquid structures at room temperature are generated for subsequent quantum mechanics calculations. The results for the liquid are compared with those obtained for the isolated molecule and give a clear picture of the liquid effects. Among the properties studied in this thesis are interaction energies, dipole moments, vibrational frequencies, polarizabilities, magnetic shielding, chemical shift and optical properties of the Raman and Rayleigh scattering.