Mecánica estadística y simulación de fluidos altamente confinados

• Autores: Paganini, Iván Eduardo
• Año de publicación: 2019
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Urrutia, Ignacio; Pastorino, Claudio
• Materia: FLUIDOS INHOMOGENEOS; LIQUIDOS NANOCONFINADOS; MECANICA ESTADISTICA; DINAMICA MOLECULAR; COLOIDES; TENSION SUPERFICIAL; INHOMOGENOUS FLUIDS; NANOCONFINED LIQUIDS; STATISTICAL MECHANICS; MOLECULAR DYNAMICS; COLLOIDS; SURFACE TENSION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En esta tesis se estudiaron fluidos simples sometidos a confinamiento por paredes rígidas de diversas formas. Primariamente se realizaron cálculos analíticos de mecánica estadística y simulación computacional. El confinamiento limita la región del espacio disponible para las partículas que forman el fluido, induciendo la inhomogeneidad del sistema. Para describir el fluido se utilizaron potenciales de interacción simples acorde con una mirada de grano grueso. Esta falta de detalle apunta a centrar la atención, no en las propiedades específicas del fluido, sino en el efecto del confinamiento. Las distintas formas de confinamiento incluyeron paredes planas y cavidades con curvatura. Pusimos especial interés en cavidades muy pequeñas, con dimensiones del orden del radio de las partículas. Este tipo de confinamiento conduce a un marcado aumento de los efectos de borde respecto de los de volumen. Caracterizamos unos pocos coloides confinados en un nanoporo esférico describiendo sus fases. Estudiamos gases a baja densidad en confinamiento esférico y cilíndrico y presentamos la interfase fluido-pared utilizando integrales de cluster. Asimismo, analizamos el confinamiento por pared plana de un líquido modelo evaluando su adsorsión y tensión superficial, alcanzando altísimos niveles de precisión. Por último, estudiamos el flujo de un líquido simple en un nanocanal cilíndrico, mediante sus distribuciones no triviales de densidad, velocidad y temperatura. Por el lado de la teoría se destaca primariamente el desarrollo de modelos que describen el comportamiento termodinámico de superficie en función de parámetros como la curvatura o la temperatura. Para producir resultados analíticos con la mayor generalidad posible, trabajamos con potenciales de interacción simples como hard spheres (HS), square well (SW) y Lennard-Jones (LJ). Los sistemas tratados son también de geometría sencilla como la pared plana, esférica y cilíndrica. En todos los casos el confinamiento está dado por paredes rígidas, es decir puramente repulsivas y de contacto. Hemos utilizado resultados previos del grupo sobre la función de partición de pocas partículas SW en un poro esférico, para describir su comportamiento termodinámico en todo el espacio de parámetros. Mediante la expansión del virial pudimos deducir expresiones analíticas de magnitudes termodinámicas de superficie como la tensión superficial para gases confinados. Por otro lado, también exploramos cómo abordar sistemas fuera de equilibrio con una inhomogeneidad marcada en densidad y temperatura. Para la ejecución de las simulaciones se utilizó el algoritmo regido por eventos (event driven), especialmente efectivo para trabajar con potenciales constantes a trozos, como el SW. Los eventos que dictan la dinámica del sistema son las colisiones: de los núcleos de partículas, de los campos de las partículas y de núcleos de partículas con la pared rígida. Para las simulaciones, aprovechando las dimensiones reducidas del sistema, se utilizó un termostato de pared térmica, que es un modelo realista de cómo intercambia calor un sistema con el medio confinante. Durante la ejecución de las simulaciones se midieron una serie de magnitudes en forma de perfiles según la simetría de la cavidad. Las magnitudes se emplearon en trabajos de caracterización en función de parámetros relevantes. También, se utilizaron para contrastar con resultados teóricos o para brindar los datos necesarios para efectuar ajustes con modelos aproximados.
In this thesis we study simple fluids confined by hard walls of various forms. Primarily making statistical-mechanics analytical calculations and computer simulations. The confinement limits the available spatial region for the fluid particles, inducing the inhomogeneity of the system. To describe the fluid we used simple interaction potentials according to a coarse grain perspective. This lack of detail aims to focus not in the fluid specfic properties, but in the confinement effects. The diverse confinement forms include plane walls and curved cavities. We placed special attention to very small cavities, with length sizes of the order of particles’ radius. This kind of confinement causes a notable increase of the border effects relative to volume ones. We characterized a few colloids confined in a nanospherical pore, describing their phases. We studied low density gases in spherical and cylindrical confinement and we represented the fluid-wall interphase using cluster integrals. Likewise, we analized the plain wall confinement of model liquid evaluating its adsortion and surface tension, achieving really high precision levels. Finally, we studied the flux of a simple liquid in a cylindrical nanochannel, by their nontrivial density, velocity and temperature profiles across the channel. From the theory side, we highlight the development of models that describe the surface thermodynamic behavior as function of parameters such as curvature and temperature. To yield the most general analytical results, we work with simple interaction potentials like hard spheres (HS), square well (SW) and Lennard-Jones (LJ). Addressed systems are also of simple geometry such as the plain, spherical and cylindrical wall. In every case the confinement comes from hard walls, that means purely repulsive and only act on contact. We used previous results of our group, about the partition function of few SW particles in an spherical pore, to describe their thermodynamic behavior in the whole parameter space. By using the virial expansion we managed to deduce analytical expresions of surface thermodynamics magnitudes, like surface tension for confined gases. On the other hand, we also explored how to approach non-equilibrium systems with a high density and temperature inhomogeneity. For the execution of simulations we applied the event-driven algorithm, specially effective for working with constant piecewise potentials, as the SW. The events that set the dynamics of the system are the collisions: between particle cores, between particle fields, and between cores and the hard wall. For simulations, taking advantage from the small size of the systems, we employed a wall thermostat, that is a realistic modelof the heat exchange between the system and the confining medium. During the simulation runs we measured a series of values in the form of profiles, following cavity symmetry. Those magnitudes were used in characterization works as function of relevant parameters. They were also used to test theoretical results or to get the necessary data to fit approximated models.
Fil: Paganini, Iván Eduardo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.