Modelagem e caracterização de sistemas nanofluidos através de simulações moleculares em multiescala

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Kirch, Alexsandro
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: abordagem multinível; análise de rede das ligações de hidrogênio; hydrogen bond network analysis; modelagem molecular; molecular modeling; multilevel approach; nanofluídica; nanofluidics
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-28092018-152059/

As propriedades físicas incomuns exibidas por fluidos confinados em meios porosos desempenham um papel importante em diversos processos químicos, geoquímicos e ambientais. Atualmente, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos fluidos espacialmente confinados ainda são pouco compreendidos. Nesse contexto, fenômenos interfaciais influenciam consideravelmente os processos que ocorrem em meios nanoporosos, podendo resultar em efeitos relevantes para o desenvolvimento dos dispositivos nanofluidicos. Esses sistemas multifásicos e com fenômenos multifísicos podem apresentar propriedades eletrônicos e dinâmicos envolvendo diferentes escalas de tamanho e tempo na interface sólido/fluido. Atualmente, uma única metodologia não é capaz de resolver toda a complexidade encontrada em tais sistemas pelo fato de cada qual estar restrita a uma escala ou demanda computacional específica. Além disso, as metodologias habitualmente aplicadas para investigar as fases bulk através da modelagem computacional, em geral, não são adequadas para acessar sistematicamente os efeitos de superfície que ocorrem na interface sólido/fluido. Os desafios impostos à modelagem molecular pelos sistemas nanofluídicos requerem iniciativas inovadoras (dentre as metodologias disponíveis) para acessar as propriedades de interface. Nessa tese, desenvolvemos e aplicamos novas abordagens computacionais em nível atômico a fim de modelar e caracterizar sistemas nanofluidicos. Nesse contexto, introduzimos um método multinível hierárquico top-down, que combina simulações de dinâmica molecular com cálculos ab initio de transporte eletrônico, para abordar fenômenos de multiescala. O potencial dessa implementação foi demonstrado em um estudo de caso envolvendo o fluxo de água e o transporte de íons através de um nanotubo de carbono tipo (6,6). Mostramos que o traço iônica pode representar uma mudança na condutância elétrica do nanocanal, e levar a uma medida indireta da corrente iônica. Também implementamos uma versão modificada da análise de rede de ligações de hidrogênio baseada em teoria de grafos, a fim de fazer o estudo das propriedades estruturais e dinâmicas em diferentes regiões do poro. Com essa abordagem, nós fomos capazes de explorar sistematicamente os efeitos de interface em fluidos espacialmente confinados. Combinando-se simulações de dinâmica molecular com a análise da rede de ligações de hidrogênio em camadas, nós pudemos avaliar a extensão dos efeitos de superfície nas propriedades dinâmicas e os detalhes da interface calcita/salmoura. Com a abordagem desenvolvida, conseguimos isolar os efeitos específicas dos íons da solução aquosa na rede de ligações de hidrogênio. Mostramos que a camada superficial exibe uma topologia de rede semelhante à observada em água pura, uma vez que a barreira eletrostática e física exibida por essa região, inibe a adsorção de íons na superfície da calcita. Fora dessa faixa, os íons influenciam consideravelmente a rede de ligações de hidrogênio: observamos a formação caminhos geodésicos mais extensos em relação àqueles observados em água pura. Esses ramos, que são formados por ligações de hidrogênio contíguas, podem conectar moléculas de baixa a alta dinâmica. Tal estrutura, pode explicar as propriedades mecânicas adesivas observadas em fluidos altamente confinados. Nossas principais contribuições decorrem na descrição da estrutura do solvente, dos íons da solução aquosa na interface calcita/fluido; e suas indicações físicas, e seu potencial significado nos processos de crescimento e dissolução de cristais. Nossas implementações fornecem contribuições interessantes para a compreensão atual dos processos que ocorrem em meios porosos. Especialmente, podendo contribuir para um desenvolvimento racional de novos dispositivos nanofluidicos.