Interaçoes atomicas em meio porosos

1. Introdução

               Recentemente ouve um aumento considerável no interesse pela descrição de fluídos confinados em poros nanométricos [1], bem como o estudo de fluídos nanoparticulados [2]. Particularmente, a recuperação melhorada do óleo, onde temos óleo e água confinada em poros que podem ser nanométricos, representa um problema de grande interesse tecnológico [3,4].

                 O estudo para compreender as alterações drásticas que as propriedades dos materiais e elementos químicos apresentam em escala nanométrica é essencial para o aproveitamento das novas propriedades, possibilitando aos cientistas reorganizar ou desenvolver moléculas e células inteligentes, construírem novas estruturas e materiais, dispositivos tecnológicos com finalidades específicas, miniaturização dos dispositivos para economia de espaço e de energia, enfim um mundo que a nanociência quer desvendar.

               Tanto o óleo como a água são fluídos muito comuns no nosso cotidiano, mas que do ponto de vista físico possuem muitas peculiaridades. Estas peculiaridades a nível macroscópico, são reguladas pelas interações em escala atômica ou molecular, sendo matéria de grande desafio e de interesse científico a explicação das propriedades da água, do gelo e também do óleo. Neste contexto, não são bem entendidas as propriedades destes fluídos, quando estes estão confinados. Bem como as interações entre hidrocarbonetos com alguns gases e com os minerais presentes na estrutura geológica das áreas sedimentares além das interações com a própria água.

1. Carbonato de cálcio

O Carbonato de cálcio (CaCO3) é um importante biomineral com alta abundância na natureza, além ter uma importância central para a troca de CO2 na água do mar e acúmulo de petróleo em campos de petróleo, podendo ser amplamente encontrado em diversos organismos vivos e também é um grande contribuidor para o sequestro de carbono através dos depósitos geológicos estando presente na composição de vários tipos de rochas, sendo assim, um entrave tecnológico como resultado da formação de depósitos de calcário. Sua cristalização tem sido tema de ampla discussão, devido ao seu papel importante na biomineralização e em diversos processos industriais [5,8]. Ele possui diferentes polimorfos, podendo ser divididos em dois grupos, os polimorfos cristalinos anidros: Calcita (mais estavel), Aragonita e Vaterita e os polimorfos metaestáveis: Carbonato de Cálcio amorfo (ACC), Carbonato de Cálcio monohidratado e Carbonato de Cálcio hexahidratado. Entre estas formas, ACC, é a fase menos estável [6].

1. Sílica

O termo sílica refere-se aos compostos de dióxido de silício (SiO2). O dióxido de silício é o composto binário de oxigênio e silício mais comum, sendo inclusive composto dos dois elementos mais abundantes na crosta da Terra. Comercialmente, a sílica é fonte do elemento silício e é usada em grande quantidade como um constituinte de materiais de construção. A sílica também possui numerosas aplicações especializadas, como cristais piezoelétricos. Na sua forma amorfa é utilizada como dessecante, adsorvente, carga e componente catalisador. Na natureza ocorre 8 tipos de estruturas da sílica cristalina, no entanto sete dentre esses são mais importantes nas condições da crosta terrestre: α-quartzo, cristobalita, tridimita, moganita, keatita, coesita e stishovita [7].

1. CO2

O carbono é um elemento básico na composição dos organismos, tornando-o indispensável para a vida no planeta. Este elemento é estocado na atmosfera, nos oceanos, solos, rochas sedimentares e é um dos produtos da queima de combustíveis fósseis. Contudo, existem trocas de carbono entre estes depósitos de CO2. Estas trocas se dão por uma série de interações ,por meio das quais, ocorre a transferência de carbono de um depósito para outro. Muitos organismos nos ecossistemas terrestres e nos oceanos, como as plantas, absorvem o carbono encontrado na atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO2). Esta absorção se dá através do processo de fotossíntese. Por outro lado, os vários organismos, tanto plantas como animais, libertam dióxido de carbono para a atmosfera mediante o processo de respiração. Existe ainda o intercâmbio de dióxido de carbono entre os oceanos e a atmosfera por meio da difusão. O CO2 também é utilizado para equilibrar o pH da agua, para dar a efervescência em refrigerantes e é injetado nos poços de petróleo para equilibrar a pressão no meio, entre outras coisas.

        O foco do nosso trabalho será entender a interação do dióxido de carbono (CO2), com uma superfície de calcita (fase mais estável do carbonato de cálcio, CaCO3).

1. Resumo das atividades

Primeiramente tivemos aulas semanais para revisar os conteúdos da Mecânica Clássica e para ter noções da Mecânica Quântica com a finalidade de utilizarmos esses conhecimentos durante as simulações.

Dentro das atividades desenvolvidas, foram ministradas aulas/seminários semanalmente, sendo tratados temas de interesse do projeto. Também realizamos leituras de artigos e, também, simulações computacionais práticas toda semana.

Para aprimorar o conhecimento, as leituras semanais de diversos artigos foram essenciais e necessárias. Pois neles são apresentados dados e explicações de pesquisas e experimentos, além de nos atualizarmos sobre as novas literaturas dos temas de interesse que saem frequentemente. E, ainda,  instalamos o sistema operacional Suse-Lammps em nossos computadores, para poder trabalharmos com as simulações em casa e ter uma melhor familiarização com os métodos adotados.
Assim, as atividades experimentais foram feitas através da Dinâmica Molecular (MD) utilizando muitos dos parâmetros utilizados nas literaturas relacionadas ao projeto.

Por fim, passamos para a montagem do modelo da Calcita (CaCO3), com o intuito de testar a metodologia e posteriormente estudar a sua interação com o CO2 e também com a água.

 

    3. Metodologia

        Utilizamos Dinâmica Molecular (DM) para realizar as simulações. As simulações de DM resolvem as equações de Newton para um conjunto de átomos ou moléculas. As forças de interação entre estes átomos ou moléculas são obtidos por meio da seleção do potencial utilizado na simulação. Estes potenciais foram selecionados da literatura, tendo por base em trabalhos já realizados na área, e em geral precisamos utilizar um conjunto de parâmetros (obtidos das literaturas), para especificar o potencial de interação. De inicio, fizemos algumas simulações do CO2, para testes iniciais e ganhos de experiência no uso do computador e dos softwares utilizados, sendo que para as forças entre os átomos intramoleculares do CO2, utilizamos um potencial do tipo mola (lei de Hooke) e para as forças intermoleculares foi utilizado um potencial do tipo Lennard-Jones [9].