Atomistic studies of water transport in nanofluidic conduits.
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Date
2018
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción.
Abstract
El comportamiento dinámico y estático de
fluidos en contacto con un substrato en la nanoescala
ha sido sujeto de un intensivo estudio durante las ultimas dos décadas debido a su relevancia
en medicina, biología e ingeniería. Del mismo modo, los avances en técnicas de fabricación
están haciendo posible el diseño y desarrollo de dispositivos nano
fluídicos con capacidades sin
precedentes, basados en las extraordinarias propiedades dinámicas, térmicas y electrocinéticas
de los
fluidos nanoconfi nados. En consecuencia, con el n de fabricar estos sistemas altamente
precisos, y diseñar sus partes funcionales, es que el entendimiento fundamental del transporte de
fluidos al interior de nanoestructuras es necesario.
En esta tesis se utilizaron simulaciones de dinámica molecular para investigar el transporte
de
fluidos en nanoconductos, analizando diferentes mecanismos de transporte para impulsar
flujo
de agua. Se estudio el fenómeno de capilaridad en la nanoescala como el mecanismo inherente
en el llenado de canales hidrofílicos en etapas tempranas. La descripción atomística del llenado
capilar con rma que la entrada espontánea sigue un régimen puramente inercial descrito por una
velocidad constante durante sus primeros instantes de llenado. Posteriormente, el llenado capilar
adquiere un
flujo desarrollado en el cual la fuerza capilar es balanceada por las contribuciones
de disipación viscosa y el momento inercial.
En esta tesis también se realizo un análisis fundamental del movimiento termoforético de gotas
de agua con nadas en nanotubos de carbono (CNTs), con especial énfasis en la relación entre la
velocidad de avance de la gota de agua y las contribuciones de la fuerza termoforética y la fuerza
de fricción en la pared. Los resultados obtenidos indican que la fuerza termoforética no depende
de la velocidad de avance de la gota, mientras que la fuerza de fricción incrementa linealmente
con esta velocidad. En esta investigación se encontró además que la magnitud de la fuerza
termoforética es determinada por el gradiente de temperatura impuesto y el largo particular de
la gota. Estos resultados entregan un mayor entendimiento sobre el fenómeno de termoforesis en
gotas de agua con nadas en CNTs, con implicaciones en el desarrollo de nanosenores, membranas
de tracción y procesos de separación. Finalmente, en esta tesis se estudio la capacidad de los
CNTs para conducir un movimiento continuo de agua mediante la aplicación directa de un
gradiente de temperatura. Para ello se ha propuesto un nanomotor basado en el concepto de
motor térmico Browniano el cual aprovecha las
fluctuaciones térmicas inherentes en esta escala
molecular. El dispositivo consiste en un CNT de capa simple, completamente lleno de agua, con
puntos fi jos especifico s a lo largo del nanotubo de carbono mas un gradiente de temperatura
impuesto axialmente. En este dispositivo, el mecanismo que impulsa el
fluido son las oscilaciones
térmicas asimétricas inducidas a lo largo del CNT, las cuales recti fican el movimiento del
fluido
en un movimiento constante de tipo\ látigo".
Description
Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería
con mención en Ingeniería Química.
Keywords
Capilaridad, Tensión Superficial, Dinámica Molecular, Agua Limpia y Saneamiento