Interaçoes atomicas em meio porosos

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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).

- 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].

Logo após o estudo do CO2, focamos o estudo da calcita na fase cristalina utilizando DM. E, com o auxilio da literatura, descobrimos que o potencial mais adequedo para tal material é o de Buckingham que tem a seguinte forma:

[pic 1]

Sendo A, ρ e C parâmetros que devem ser ajustados para descrever corretamente as interações entre os átomos do sistema. Obtivemos da literatura tais parâmetros, otimizados por Raiteri P. e Gale J. D. [11].

Ca-Ca

C-C

O-O

Ca-C

Ca-O

C-O

C (KJ/mol

55686.7

2432.71

1123.56

11639.1405

7909.95251

1653.26817

A (KJ*Å6/mol)

82942.86

369822.7

230230.1

175140.379

138188.071

291794.992

ρ

(Å)

0.45495905

0.27763125

0.2525125

0.35540238

0.33894372

0.26477417

Tabela 1. Parametros calculados por meio dos potenciais de Buckingham.

4. Resultados

Para o começo das atividades, obtemos uma estrutura do cristal de calcita (Figura 1). Esta estrutura tem 2 Ca e 2 CO3 na célula computacional, existindo condições periódicas de contorno nas paredes da caixa. A figura 2 mostra uma superfície de calcita. Até o presente momento, obtivemos estas estruturas atômicas para a calcita, mas não realizamos simulações efetivamente com estas estruturas. Até o momento focamos em realizar simulações com o CO2.

[pic 2]

Figura 1. Estrutura cristalina da calcita. Os átomos azuis (grandes) representam os átomos de Ca, os amarelos e vermelhos constituem os groupos carbonatos (CO3).

[pic 3]

Figura 2. Estrutura dos átomos em uma superfície de calcita. A superfície é composta por átomos de Ca (bolas grandes, azuis) e grupos carbonatos (CO3).

Para as simulações com o CO2, foram consideradas 3375 moléculas de CO2, por meio de MD, em uma caixa computacional cúbica de 67 Å de lado. Para a dinâmica molecular, utilizamos 200000 eventos e no total realizamos 3 simulações. Primeiramente, realizamos uma simulação com o número de moléculas, volume e energia constantes (NVE). Em seguida, realizamos outra simulação com o número de moléculas, volume e temperatura fixos (NVT). Para esta segunda simulação, nós utilizamos os dados que foram obtidos como saída da primeira simulação (NVE). Finalmente, simulamos o CO2 para número de moléculas, pressão e temperatura constântes (NPT). Novamente, para esta última etapa, utilizamos os dados obtinos no cálculo anterior (NVT), como dados iniciais para fazer a simulação.

Como resultados, obtivemos gráficos de temperatura versus tempo (T x t) para o primeiro cálculo, de Energia versus tempo (E x t) para o segundo, e por fim, no cálculo NPT, obtivemos um gráfico de volume versus tempo (V x t). Além destes dados, calculamos a função da distribuição radial g(r). A g(r) nada mais é do que uma função que descreve a densidade da átomos circundante de outro átomo (estes átomos são selecionados no início do cálculo da g(r)). Ou seja, na g(r), temos um