Design and Characterization of Nanofluidic-Based Systems by Multiscale Molecular Simulations

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.The unusual physical properties exhibit by fluids within nanoscopic porous media play an important role in the plethora of chemical, geochemical and environmental processes. Currently, many aspects of the structure and dynamics of the spatially constrained fluids are still poorly understood. Additionally, the interfacial phenomena considerably influences the processes occurring in nanoporous media, which can have a major effect on nanofluidics devices. These multiphase systems and multi-physics phenomena occurs at solid/solution interfaces, with electronic and dynamic effects taking place across size and time scales. Currently, a single methodology is not capable to disentangle all the complexity find in such systems because it is restricted to a specific scale or computationally demand. In addition, the usual computational modeling methodologies applied to investigate bulk phases, they are, in general, not suitable to systematically access the surface effects occurring at solid/fluid interfaces. The challenges imposed by the nanofludics-based systems within the molecular modeling framework require innovative initiatives (among the available methodologies) to correctly access the interface properties. In this thesis, we develop and apply novel computational approaches to properly design and characterize nanofluidics-based systems at atomic level. In this context, we introduced an hierarchical top-down multilevel method by combining molecular dynamics simulations with first principles electronic transport calculations to address the multiscale phenomena problem. The potential of this implementation was demonstrated in a case study involving the water and ionic (Na, Li, and CL) flow through a (6,6) carbon nanotube. We showed that the ionic trace, observed on the electronic transmittance, it may handle an indirect measurement of the ionic current that is recorded as a sensing output. We implemented also a layered version of hydrogen bond network analysis based on graph theory. With this approach, we were able to properly explore interface effects arising on spatially confined fluids. By combining molecular dynamics simulations with the layered hydrogen bond network analysis, we evaluated the extension of surface effects on the fluids dynamics properties and the interaction details at calcite/brine interface. With the developed approach, we have been able to isolate the specific features of the aqueous solutions ions on the hydrogen bond network. We showed that the surface layer near the calcite/brine interface displays similar network topology as observed in pure water, since the electrostatic and physical barrier displayed by this layer inhibit the adsorption of ions on the calcite surface. Outside that region, these ions affect the hydrogen bond network. We observed a more extended geodesic paths with respect to that observed in pure water. Such hydrogen bond branches may connect low to high dynamics molecules across the pore and hence, it may explain the glue-like mechanical properties observed in confinement environment. Our main contributions in this work relies on describing the structure of solvent and electrolyte aqueous solution at calcite/fluid interface and their physical indications and potential significance on the crystal growth and dissolution processes. Our implementations provide interesting contributions to the current understanding of processes occurring in porous media. Specially, it may contribute on the rational design of novel nanofluidics devices