Determinación de ángulo de contacto con dinámica molecular

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2022/23). Director: Dr. D. Andrés Mejía Matallana. El presente trabajo muestra el cálculo de ángulos de contacto de un fluido sobre un sólido. La fase fluida está constituida por heptano (C7H16), tolueno (C7H8) y dióxido de Carbono (CO2), mientras que la fase sólida es carbono en su forma alotrópica de grafito. Se realizaron múltiples simulaciones en las cuales se mantiene constante la temperatura del sistema en 344.15 K, la densidad del CO2 en 6.8208, kg/m3 y el volumen de la caja de simulación en 37500nm3. Se varía la relación heptano-tolueno, de manera que se considera heptol0, heptol25, heptol50 heptol75 y heptol100, por ejemplo donde heptol25, el 25% de las moléculas son de tolueno y el 75% de heptano. Se mide el ángulo de contacto del sistema fluido - sólido directamente a partir de la geometría de gota formada sobre el grafito. Adicionalmente, se calcula la presión y la energía total. Los modelos moleculares utilizados para la fase fluida son representan mediante potenciales de interacciones intermoleculares esféricos: potencial Mie, el grafito se representa mediante un potencial integrado. El potencial de interacción para sólido es el potencial Steele-Mie. Se validaron los modelos moleculares para el heptano, tolueno y CO2, simulando cada sustancia pura por separado y comparando con datos experimentales obtenidos de la NIST. Se calculó la relación densidad contra presión a temperatura constante. El rango de presión considerado fue de 1 a 80 bar. De los resultados obtenidos con simulación moleculares varían menos del 5% de los resultados experimentales. Para la determinación del ángulo de contacto se utilizan 3500 moléculas de CO2 y 20000 moléculas de heptol, en una caja de simulación de 50x50x15nm3, condiciones periódicas solo en las direcciones X e Y. En la posición Z0 = 0.0 se pone una pared con el potencial del grafito y en ZL = 15.0 se pone una pared repulsiva para mantener las moléculas dentro de la caja de simulación. El software para realizar las simulaciones es GROMACS. La simulación se divide en tres etapas: la primera es la minimización, en la cual se parte de una configuración del sistema donde las posiciones de la moléculas se asignan de manera aleatoria. Usando el algoritmo de Steepest Descent se reduce la energía potencial de la configuración inicial cambiando las posiciones de las moléculas. La segunda etapa de la simulación es la equilibración se inició con temperatura de 1000 y durante 20 ns, posterior a 344.15 K durante 50 ns, este cambio de temperatura facilita la formación de la gota sobre el grafito. En esta etapa se garantiza que el sistema está completamente equilibrado. La tercera etapa es la producción, en la cual se mide el ángulo de contacto para las diferentes composiciones de heptol estudiadas. En cuanto a los resultados obtenidos en la etapa de producción, se evidencia que el ángulo de contacto para las diferentes composiciones de heptol varía alrededor de 50◦, excepto para heptol0, es decir, para la mezcla de heptano puro más CO2, ya que el heptano tiene a extenderse sobre toda la superficie de grafito y a la aglomeración de heptano que se estable, presenta poca simetría y esfericidad, durante los 50 ns de equilibración y 10 ns de producción no hay una gota claramente formada.

The present work shows the calculation of contact angles of a fluid on a solid. The fluid phase consists of heptane, toluene and CO2, while the solid phase is carbon in its allotropic form of graphite. Multiple simulations were performed in which the temperature of the system is held constant at 344.15 K, the density of CO2 at 6.8208, kg/m3 and the volume of the simulation box at 37500,nm3. The heptane-to-toluene ratio is varied, such that heptol0, heptol25, heptol50 heptol75 and heptol100 is considered, for example where heptol25, 25 The contact angle of the fluid-solid system is measured directly from the droplet geometry formed on the graphite. Additionally, the pressure and total energy are calculated. The molecular models used for the fluid phase are represented by spherical intermolecular interaction potentials: Mie potential, graphite is represented by an integrated potential. The interaction potential for solid is the Steele-Mie potential. Molecular models for heptane, toluene and CO2 were validated by simulating each pure substance separately and comparing with experimental data obtained from NIST. The density versus pressure relationship was calculated at constant temperature. The pressure range considered was from 1 to 80 bar. The results obtained with molecular simulation vary less than 5 For the determination of the contact angle, 3500 molecules of CO2 and 20000 molecules of heptol are used, in a simulation box of 50x50x15nm3, periodic conditions only in the X and Y directions. At position Z0 = 0.0 a wall with the graphite potential is placed and at ZL = 15.0 a repulsive wall is placed to keep the molecules inside the simulation box. The software to perform the simulations is GROMACS. The simulation is divided into three stages: the first one is the minimization, in which we start from a configuration of the system where the positions of the molecules are randomly assigned. Using the Steepest Descent algorithm, the potential energy of the initial configuration is lowered by changing the positions of the molecules. The second stage of the simulations is the equilibration started with temperature of 1000 y for 20 ns, later at 344.15 K for 50 ns, this temperature change facilitates the formation of the droplet on the graphite. At this stage it is ensured that the system is completely equilibrated. The third stage is the production, in which the contact angle is measured for the different compositions of heptol studied. Regarding the results obtained in the production stage, it is evident that the contact angle for the different compositions of heptol varies around 50circ, except for heptol0, that is, for the mixture of pure heptane plus CO2, since heptane has to spread over the whole graphite surface and the heptane agglomeration that is stable, shows little symmetry and sphericity, during the 50 ns of equilibration and 10 ns of production there is no clearly formed droplet.