A água é fundamental para a existência e sustentabilidade da vida. Consequentemente o seu comportamento isolado ou em contato com solventes tem sido amplamente estudado. Apesar disto, ainda existem propriedades da água que são pouco compreendidas. Recentemente em experimentos e simulações com água confinada novas anomalias e comportamentos surpreendentes foram encontrados. Água confinada tem importância para física, química, geologia, biologia, etc e tem relevância em aplicações tecnológicas como em processos de catálise, separação de fases, fabricação de nanomateriais etc. Portanto, entender o comportamento da água nessas condições é essencial. O confinamento altera drasticamente as propriedades da água e essas mudanças variam dependendo do tipo de confinamento imposto ao sistema. Estudos de água confinada em sílica sugerem que a água no interior do nanotubo cristaliza a uma temperatura menor que a temperatura de congelamento do bulk (água não confinada) dependendo do tamanho do nanotubo, porém a água em contato com a parede permanece líquida. Em nanotubos de carbono se verificou que a água congela para pressões altas a uma temperatura menor que a temperatura do bulk, no entanto, água confinada entre placas de carbono ativado congela a T = 303K. Super fluxo de água foi observado em nanotubos de carbono com diâmetro menor do que 2nm devido a formação de uma estrutura single line. Fluxo maior do que o esperado pelas equações da hidrodinâmica também foi observado para nanotubos hidrofílicos, no entanto esse fluxo ainda é menor do que o obtido para nanotubos de carbono. Nanotubos de AlPO4-54 são nanotubos facilmente preparados de forma altamente cristalina. Eles apresentam regiões hidrofílica e hidrofóbicas o que pode auxiliar no fluxo de moléculas de água no seu interior fazendo desses nanotubos bons candidatos para aplicações em tratamentos de água. No entanto, o comportamento da água no interior desses nanotubos não é bem compreendido. Nesse trabalho analisamos propriedades estruturais e dinâmicas de água confinada em AlPO4-54 para vários valores de temperatura e ocupação do nanotubo. Concluímos que a estrutura da água é controlada pela heterogeneidade do nanotubo com moléculas de água da camada de contato preferencialmente localizadas próximas aos oxigênios do AlPO4-54 consequentemente, para baixas densidades, a água forma uma estrutura helicoidal do tipo single line. Além disso, estudamos um sistema de dímeros Janus confinados entre placas lisas com o objetivo de estudar os efeitos do confinamento para o modelo proposto. Identificamos a formação de diversas estruturas self-assembled incluindo uma estrutura que apresenta regime superdifusivo. / Water is fundamental to the existence and sustainability of life. Consequently its behavior, isolated or in contact with solvents, has been widely studied. Nevertheless, there are still water properties that are poorly understood. Recently in experiments and simulations with confined water new anomalies and amazing behaviors were found. Confined water is important for physics, chemistry, geology, biology, etc. and has relevant applications in technological processes as in catalysis, phase separation, manufacturing of nanomaterials, therefore, understanding the behavior of water in these conditions is very important. Confinement changes drastically the properties of the water and these changes depend on the type of confinement. Studies on water confined on silica nanotubes suggest that the water in the inner region of the pores crystallizes at a temperature bellow the freezing temperature of the bulk water (non-confined water) depending on the size of the nanotube, but the water in contact with the wall remains liquid. On carbon nanotubes, was found that the water freezes at high pressures and at a temperature below the freezing temperature of the bulk, on the other hand, water confined inside activated carbon wall freezes at T = 303K. Superflow was observed in carbon nanotubes with diameter lower then 2 nm due to the formation of a single line structure. Flow in hydrophilic nanotubes is larger than the expected from hydrodynamic equations but is much smaller than for the case of carbon nanotube. AlPO4-54 nanotubes are easily prepared in monodisperse crystalline structures. They have both hydrophobic and hydrophilic groups which may help the flux of water molecules inside the nanotube making these nanotubes great candidates for water treatment aplications. However, the behavior of water confined inside AlPO4-54 nanotubes is not well understood. In this work, the structural and dynamical properties of the confined water in AlPO4-54 nanotubes are analyzed for various temperatures and water loadings. We find that the water structure is controlled by the heterogeneity of the nanopore surface with the water molecules located preferentially next to the surface of oxygens of the AlPO4-54 consequently, at very low densities, water forms helicoidal structures in string-like arrangements. In addition, we studied a Janus dumbbels system confined between smooth plates in order to study the effects of confinement on the proposed model. We have identified the formation of several self-assembled structures including a structure which has a superdiffusive regime.

Neste trabalho de mestrado estudamos o comportamento anômalo de um fluido confinado por paredes planas, rugosas, estáticas e neutras. As partículas do fluido foram modeladas através de um potencial simples de interação de duas escalas, formado por um ombro repulsivo e uma parte atrativa muito pequena. Este potencial, para sistemas não confinados, apresenta as anomalias na densidade, na difusão e na estrutura presentes na água. O objetivo desta dissertação é compreender as modificações nas anomalias da densidade, difusão e parâmetro de ordem translacional provocadas pelo confinamento. Estudamos o problema através de simulação de dinâmica molecular, usando o ensemble NVT (canônico), que mantém o número de partículas, o volume e a temperatura fixos. As partículas tipo água são confinadas no espaço entre duas paredes, cuja separação d* é mantida fixa. Encontramos que este tipo de confinamento provoca a estruturação das partículas em camadas, o que pode ser verificado pelo perfil transversal de densidade. O número de camadas formadas depende de d* e as camadas centrais apresentam dinâmica e estrutura diferentes das camadas de contato (próximas às paredes). Em função disso, analisamos a estrutura do sistema através da função distribuição radial e do parâmetro de ordem translacional para estes dois tipos de camadas (central e de contato) separadamente. Analisamos em detalhes os casos de distâncias entre paredes d* = 10 e d* = 133 para verificar a convergência do sistema confinado para o bulk conforme aumentamos suficientemente a separação d* entre as paredes. Verificamos que os casos que apresentaram a formação bem definida de três camadas de partículas (d* = 5, 5, 6, O e 6, 3) possuem linhas de Temperatura de Máxima Densidade (TMD's) cujo comportamento é monotônico com relação à temperatura, pressão e densidade. Também estudamos uma separação de d* = 4, 2, onde há a formação de duas camadas de contato apenas (inexistência de camadas centrais), e o caso em que d* = 4, 8, que apresenta mudanças estruturais na camada central similar a uma transição de fases de duas para três camadas de partículas. Este último sistema estudado também se mostrou bastante particular por apresentar anomalias na densidade e na difusão apenas para temperaturas muito baixas, além de que a pressão perpendicular às paredes confinantes, diferentemente dos demais casos, não apresentou um comportamento monotonicamente crescente com a temperatura. Portanto, observamos que as mudanças estruturais da camada central são detectadas pela pressão perpendicular do sistema. / In this work we study the anomalies of confined water by flat, rough, static and neutral plates using a simple model of interaction between the spherical particles defined by a isotropic continous potential of two lenghts, formed by a repulsive shoulder and a very small attractive part. Our purpose is to understand the changes in anomalies of density, diffusion and translational order parameter of confined water in relation to bulk system. The problem was studied by molecular dynamics simulation, using the NVT ensemble (canonical), that keeps fixed the number of particles, volume and temperature. The water-like particles were confined in the space between two plates, whose separation d* is fixed. This kind of confinement induces the layering density of the particles, which can be verified by transversal density profile. The number of layers depends on d* and the central layers have different dynamics and structure in relation to the contact layers (next to the walls). Then, we analyzed the structure of the system through the radial distribution function and the translational order parameter for these two types of layers (central and contact) separately. A detail analysis of the cases with distance between the plates d* = 10 and d* = 133 was performed to check the convergence of the confined system to bulk as we increase sufficiently the separation d between the plates. We see that cases which have well-defined formation of three layers of particles (d* = 5, 5 , 6, O and 6, 3) have TMD's whose behavior is monotonic in relation to temperature, pressure and density. We also studied a separation of d* = 4, 2 where there is the formation of two contact layers only (no middle layers), and the case where d* = 4, 8, which shows structural changes in the central layer similar to a phase transition between two and three layers of particles. The last system also presents very peculiar anomalies in density and diffsion because the location of these anomalies is for very low temperatures, and the perpendicular pressure, unlike the other cases, did not show an increasing monotonic behavior with the temperature and density. So, we observed that the structural changes of the central layer are detected by the perpendicular pressure to the system.

A compreensão dos processos físicos envolvidos no fluxo e no confinamento de fluidos complexos em sistemas manométricos é de grande interesse para físicos, químicos, biólogos e engenheiros, dada a gama de novas tecnologias envolvidas e da busca contínua de uma melhor compreensão da vida no nível molecular. Dentre os métodos teóricos para abordar este tema, a simulação computacional destaca-se como uma das ferramentas mais poderosas para seu o entendimento, muito embora o alto custo computacional ainda representam um grande obstáculo a ser transposto. Assim, o uso de modelos computacionais que permitam simulações simples, capazes de descrever microscopicamente os sistemas estudados, ao mesmo tempo de forma realista e com baixo custo computacional, ´e o desafio que se impõe. É exatamente em resposta a este desafio que nesta tese nos propusemos a estudar a difusão e estruturação de fluidos complexos através de nanocanais. Em uma primeira etapa do trabalho utilizamos um modelo computacional para calcular o fluxo de íons através de nanoporos e canais inseridos em membranas. O método baseia-se na utilização de simulação em Dinâmica Molecular Grande Canônica com Dois Volumes de Controle (DCV-GCMD) e na solução analítica para o potencial eletrostático dentro de um nanoporo cilíndrico recentemente obtida por Levin. A combinação da teoria de Levin com a simulação DCV-GCMD é utilizada para estudar o fluxo iônico através de um canal artificial que imita o comportamento do canal bactericida gramicidin. A, através da obtenção dos perfis corrente-voltagem e corrente-concentração para várias condições experimentais. Uma boa concordância com experimentos foi encontrada. Na segunda etapa do trabalho utilizamos um modelo de potencial contínuo de duas escalas para a água a fim de estudarmos a difusão através de um modelo coarse-grained de nanotubos de carbono. Diferentes estudos para estes fluidos foram realizados. A dependência da constante da difusão com o raio do nanotubo ´e estudada, e encontramos um resultado qualitativamente equivalente ao obtido em simulações de Dinâmica Molecular para modelos atomísticos de água. Analisando o perfil de densidade dentro do canal observamos que a competição entre as escalas gera o aumento anômalo na difusão para canais estreitos. Em seguida, calculamos o fator de aumento de fluxo para fluidos de duas escalas com interações repulsiva ou atrativa. Obtivemos um resultado comparável qualitativamente com experimentos para água em nanotubos, e mostramos como mudanças conformacionais na estrutura do fluido levam a transição de regime de fluxo contínuo para não-contínuo. Por fim, comparamos o comportamento do fluxo quando modificamos as escalas de interação, e mostramos que o comportamento anômalo somente ocorre quando existe competição entre as escalas. / The understanding of physical processes envolved in confinement and flux of complex fluids in nanoscale systems is of great interest to physicists, chemists, biologists and engineers. This knowledge open a large number of possibilities in new technologies and enables a better compreension of live at molecular level. Simulational methods stand out as one of the most powerful theoretical tool to the understanding of such systems. The high computational cost of such simulations, however, remains as a huge obstacle to be transposed. Therefore, the challenge is the use of simple simulational models capable to describe realistically the system of interest at a low computational cost. To this end, we proposed in this thesis ways to study the diffusion and structure of complex fluids confined inside nanotubes. First, we use a computational approach to calculate the ionic fluxes through narrow nano-pores and transmembrane channels. The method relies on a dual-control-volume grand-canonical molecular dynamics (DCV-GCMD) simulation and the analytical solution for the electrostatic potential inside a cylindrical nano-pore recently obtained by Levin. The Levin’s theory is combined with the DCV-GCMD technique to calculate the ionic fluxes through a synthetic channel which mimics the properties of the gramicidin A channel, obtaining the current-voltage and the current-concentration relations under various experimental conditions. A good agreement with experiments is found. Next, we use a two scale continuum potential for water to study the diffusion of water-like fluids through a coarse-grained model of carbon nanotubes. Several studies for this fluids were performed. The diffusion constant behavior for different channel radius was evaluated, and a good qualitative agreement with all atom Molecular Dynamics results was found. Also, we analise the radial density profile inside the nanotube and observe that the competition between the two scales in potential produces a anomalous increase in fluid diffusion for narrow channels. Then, the flow enhancement factor was evaluated for attractive and purelly repulsive water-like fluids. Our results are similar to experimental results for water flowing in carbon nanotubes. We show that structural changes in the fluid leads to a transition from continuum to non-continuum flow. Finally, we compare the effect of the two length scales in the flow behavior, and show that the anomalous behavior only occurs when there is a competition between the scales.

A água é fundamental para a existência e sustentabilidade da vida. Consequentemente o seu comportamento isolado ou em contato com solventes tem sido amplamente estudado. Apesar disto, ainda existem propriedades da água que são pouco compreendidas. Recentemente em experimentos e simulações com água confinada novas anomalias e comportamentos surpreendentes foram encontrados. Água confinada tem importância para física, química, geologia, biologia, etc e tem relevância em aplicações tecnológicas como em processos de catálise, separação de fases, fabricação de nanomateriais etc. Portanto, entender o comportamento da água nessas condições é essencial. O confinamento altera drasticamente as propriedades da água e essas mudanças variam dependendo do tipo de confinamento imposto ao sistema. Estudos de água confinada em sílica sugerem que a água no interior do nanotubo cristaliza a uma temperatura menor que a temperatura de congelamento do bulk (água não confinada) dependendo do tamanho do nanotubo, porém a água em contato com a parede permanece líquida. Em nanotubos de carbono se verificou que a água congela para pressões altas a uma temperatura menor que a temperatura do bulk, no entanto, água confinada entre placas de carbono ativado congela a T = 303K. Super fluxo de água foi observado em nanotubos de carbono com diâmetro menor do que 2nm devido a formação de uma estrutura single line. Fluxo maior do que o esperado pelas equações da hidrodinâmica também foi observado para nanotubos hidrofílicos, no entanto esse fluxo ainda é menor do que o obtido para nanotubos de carbono. Nanotubos de AlPO4-54 são nanotubos facilmente preparados de forma altamente cristalina. Eles apresentam regiões hidrofílica e hidrofóbicas o que pode auxiliar no fluxo de moléculas de água no seu interior fazendo desses nanotubos bons candidatos para aplicações em tratamentos de água. No entanto, o comportamento da água no interior desses nanotubos não é bem compreendido. Nesse trabalho analisamos propriedades estruturais e dinâmicas de água confinada em AlPO4-54 para vários valores de temperatura e ocupação do nanotubo. Concluímos que a estrutura da água é controlada pela heterogeneidade do nanotubo com moléculas de água da camada de contato preferencialmente localizadas próximas aos oxigênios do AlPO4-54 consequentemente, para baixas densidades, a água forma uma estrutura helicoidal do tipo single line. Além disso, estudamos um sistema de dímeros Janus confinados entre placas lisas com o objetivo de estudar os efeitos do confinamento para o modelo proposto. Identificamos a formação de diversas estruturas self-assembled incluindo uma estrutura que apresenta regime superdifusivo. / Water is fundamental to the existence and sustainability of life. Consequently its behavior, isolated or in contact with solvents, has been widely studied. Nevertheless, there are still water properties that are poorly understood. Recently in experiments and simulations with confined water new anomalies and amazing behaviors were found. Confined water is important for physics, chemistry, geology, biology, etc. and has relevant applications in technological processes as in catalysis, phase separation, manufacturing of nanomaterials, therefore, understanding the behavior of water in these conditions is very important. Confinement changes drastically the properties of the water and these changes depend on the type of confinement. Studies on water confined on silica nanotubes suggest that the water in the inner region of the pores crystallizes at a temperature bellow the freezing temperature of the bulk water (non-confined water) depending on the size of the nanotube, but the water in contact with the wall remains liquid. On carbon nanotubes, was found that the water freezes at high pressures and at a temperature below the freezing temperature of the bulk, on the other hand, water confined inside activated carbon wall freezes at T = 303K. Superflow was observed in carbon nanotubes with diameter lower then 2 nm due to the formation of a single line structure. Flow in hydrophilic nanotubes is larger than the expected from hydrodynamic equations but is much smaller than for the case of carbon nanotube. AlPO4-54 nanotubes are easily prepared in monodisperse crystalline structures. They have both hydrophobic and hydrophilic groups which may help the flux of water molecules inside the nanotube making these nanotubes great candidates for water treatment aplications. However, the behavior of water confined inside AlPO4-54 nanotubes is not well understood. In this work, the structural and dynamical properties of the confined water in AlPO4-54 nanotubes are analyzed for various temperatures and water loadings. We find that the water structure is controlled by the heterogeneity of the nanopore surface with the water molecules located preferentially next to the surface of oxygens of the AlPO4-54 consequently, at very low densities, water forms helicoidal structures in string-like arrangements. In addition, we studied a Janus dumbbels system confined between smooth plates in order to study the effects of confinement on the proposed model. We have identified the formation of several self-assembled structures including a structure which has a superdiffusive regime.

Nesta tese, estudamos o comportamento de um fluido tipo-água nanoconfinado entre placas paralelas rugosas e termalizadas. Primeiro analisamos o comportamento do diagrama de fases temperatura versus densidade desse sistema. Encontramos que o fluido se estrutura em camadas, sendo o número de camadas relacionado com o grau de confinamento. Mudanças no número de camadas também estão associadas com transições de fases de primeira ordem das camadas de contato. A estrutura, as regiões de transições de fases e os pontos críticos encontrados, são afetados pela estrutura das placas. De posse do diagrama de fases do sistema em equilíbrio, estudamos o comportamento desse fluido fora do equilíbrio. Observamos que para um regime de velocidade de escoamento muito baixa o fluido permanece com a estrutura idêntica a estrutura de equilíbrio. Para velocidades de escoamentos grandes observamos que as camadas centrais são destruídas passando a apresentar um comportamento tipo bulk. As camadas de contato apresentam uma estrutura diferente do observado para baixas velocidades, sendo consideradas em fase líquidas. Esse comportamento foi observado para densidades e temperaturas distintas. Nesse regime de escoamento a condição de não-deslizamento não é cumprida. Determinamos através de uma análise média de movimento que toda a camada adjacente à placa se move em relação à ela. / In this thesis we study the behavior of a waterlike fluid nanoconfined between rough and thermalized parallel plates. First, we analyzed the temperature versus density phase diagram of this system. We found that the fluid is structured in layers, and that number of layers is related with the degree of confinement. Changes in the number of layers are also associated with first order phase transitions. The structure, the transitions phase regions and the critical points, are affected by the plates structure. With the phase diagram of the equilibrium system, we studied the behavior of this fluid in a non-equilibrium system. We observed that for a very low velocity regime of flow the fluid structure is identical to the structure in equilibrium state. For high flow velocities we observed that the central layers are destroyed and start to present a bulk-like behavior. The contact layers present a different structure of the observed for low velocities, been considered in liquid phase. This behavior was observed for distinct densities and temperatures. In this flow regime the no-slip condition is not fulfilled. We determined, by an average analyze of the movement, that the contact layer move in relation to plate.

Neste trabalho, estudamos fluidos tipo-água confinados por placas. Primeiramente revisamos um modelo simples, em que o fluido é composto por partículas esféricas que interagem através de um potencial de duas escalas. Apresentamos os resultados do confinamento deste modelo por placas paralelas, fixas, rugosas e fracamente hidrofóbicas. Além de apresentar formação de camadas, o confinamento por placas também provoca mudanças significativas na termodinâmicas e na dinâmica do fluido. Enquanto que a anomalia na difusão começa a se manifestar para temperaturas mais baixas, a anomalia na densidade é deslocada para temperaturas mais baixas, pressões e densidades mais altas. Isto indica que sistemas confinados podem trazer entendimentos interessantes sobre a região metaestável de sistemas não-confinados. Também analisamos sistemas confinados por placas rugosas hidrofóbicas e hidrofílicas. Nosso modelo considera cinco tipos de inteirações partícula-parede, sendo três delas do tipo hidrofóbica e duas do tipo hidrofílica. Os efeitos dos tipos de interação partícula-parede sobre as propriedades do sistema são bastante diferentes. Enquanto que placas hidrofílicas tendem a facilitar a cristalização das partículas, placas hidrofóbicas diminuem a temperatura de cristalização da camada de contato, aumentando a região líquida do diagrama de fases em comparação com o bulk. O aumento da hidrofobicidade provoca um deslocamento das propriedades do fluido para uma região do diagrama de fases de temperaturas mais baixas comparadas ao bulk, enquanto que o aumento da hidrofilicidade provoca um deslocamento destas mesmas propriedades para uma região de temperaturas mais altas. Os efeitos da mobilidade das placas também são analisados. Abordamos dois tipos de confinamento: placas lisas e fixas, simuladas no ensemble NV T, e placas lisas e flutuantes, simuladas no ensemble NP⊥T. Observamos que o fluido tipo-água confinado por placas flutuantes apresenta uma estrutura em camadas, sem transição de fases entre elas, o que resulta num comportamento dinâmico normal e sem a presença da anomalia na difusão. Este resultado ´e devido à contribuição entrópica das placas na energia livre do sistema. Quando fixamos as placas, além de observarmos a transição de fase estrutural do fluido, também observamos que a anomalia na difusão aparece, como resultado de uma contribuição entálpica na energia livre do sistema. Três transições de fase de primeiro ordem são observadas nas camadas de contato do fluido confinado por placas fixas. Para altas densidades, observamos que o fluido transiciona de um sólido hexagonal para um cristal-líquido e posteriormente para um fluido. Por último, analisamos a influência da rugosidade das placas sobre as propriedades de um fluido tipo-água com a presença da transição líquido-líquido. Simulamos sistemas confinados por placas lisas, modeladas por um campo de força, e rugosas, onde as placas são formadas por partículas. O efeito do confinamento por estes dois tipos de superfície provoca mudanças significativas na solidificação das partículas e também tem efeito considerável sobre a localização dos pontos críticos vapor-líquido e líquido-líquido. / In this work, we studied waterlike fluids confined between plates. First, a simple model for bulk water, in which the fluid is formed by spherical particles that interact through a two-length scale potential, was introduced. The effect of the confinement of this model by parallel, fixed, rough and weakly hydrophobic plates was analyzed. In addition to the formation of layers, the confinement by plates also promotes significant changes in the thermodynamic and dynamic properties of the fluid. While the diffusion anomaly appears at lower temperatures, the density anomaly is shifted to lower temperatures, higher pressures and higher densities. This indicates that confined systems can be used to understand properties that in the bulk occur at unstable regions of the pressure versus temperature phase diagram. We also analyzed the confinement of hydrophobic and hydrophilic rough plates. In our model, we consider five types of particle-plate interaction potentials, where three were hydrophobic and the two were hydrophilic. The effects of different types of confinements in the anomalous properties of the waterlike fluid are very dependent of the nature of interaction between fluid and surfaces. The hydrophilic surface induce crystallization of the contact layers, but the hydrophobic one maintains the system in liquid state. Increasing the hydrophobicity, the properties of the fluid are shifted to lower temperatures in relation to bulk, while the increase of hydrophilicity causes a shifting to higher temperatures. The effects of the mobility of the plates were also analyzed. We studied two types of confinement: smooth and fixed plates, simulated in NV T-constant ensemble, and smooth and fluctuating plates, simulated in NP⊥T-constant ensemble. When the waterlike fluid is confined between fluctuating plates, a layering structure is observed without phase transition and without diffusion anomaly. This is due the entropic contribution in the total free energy. When the fluid is confined between fixed plates, besides the structural phase transition, the diffusion anomaly is observed, due the entalpy of the system. Three structural phase transitions were observed in the contact layer for fixed plates. For high densities, a hexagonal solid change to a crystal-liquidlike and after a fluid. We finally analyzed the influence of roughness of the plates in the properties of a waterlike fluid with liquid-liquid phase transition. We confined the fluid between smooth plates, modeled by a force field, and rough plates, constructed whit spherical particles. The confinement effect by the two kinds of confinements are strong in the solid-fluid phase transition and in the location of the anomalies and critical points.

A água é fundamental para a existência e sustentabilidade da vida. Consequentemente o seu comportamento isolado ou em contato com solventes tem sido amplamente estudado. Apesar disto, ainda existem propriedades da água que são pouco compreendidas. Recentemente em experimentos e simulações com água confinada novas anomalias e comportamentos surpreendentes foram encontrados. Água confinada tem importância para física, química, geologia, biologia, etc e tem relevância em aplicações tecnológicas como em processos de catálise, separação de fases, fabricação de nanomateriais etc. Portanto, entender o comportamento da água nessas condições é essencial. O confinamento altera drasticamente as propriedades da água e essas mudanças variam dependendo do tipo de confinamento imposto ao sistema. Estudos de água confinada em sílica sugerem que a água no interior do nanotubo cristaliza a uma temperatura menor que a temperatura de congelamento do bulk (água não confinada) dependendo do tamanho do nanotubo, porém a água em contato com a parede permanece líquida. Em nanotubos de carbono se verificou que a água congela para pressões altas a uma temperatura menor que a temperatura do bulk, no entanto, água confinada entre placas de carbono ativado congela a T = 303K. Super fluxo de água foi observado em nanotubos de carbono com diâmetro menor do que 2nm devido a formação de uma estrutura single line. Fluxo maior do que o esperado pelas equações da hidrodinâmica também foi observado para nanotubos hidrofílicos, no entanto esse fluxo ainda é menor do que o obtido para nanotubos de carbono. Nanotubos de AlPO4-54 são nanotubos facilmente preparados de forma altamente cristalina. Eles apresentam regiões hidrofílica e hidrofóbicas o que pode auxiliar no fluxo de moléculas de água no seu interior fazendo desses nanotubos bons candidatos para aplicações em tratamentos de água. No entanto, o comportamento da água no interior desses nanotubos não é bem compreendido. Nesse trabalho analisamos propriedades estruturais e dinâmicas de água confinada em AlPO4-54 para vários valores de temperatura e ocupação do nanotubo. Concluímos que a estrutura da água é controlada pela heterogeneidade do nanotubo com moléculas de água da camada de contato preferencialmente localizadas próximas aos oxigênios do AlPO4-54 consequentemente, para baixas densidades, a água forma uma estrutura helicoidal do tipo single line. Além disso, estudamos um sistema de dímeros Janus confinados entre placas lisas com o objetivo de estudar os efeitos do confinamento para o modelo proposto. Identificamos a formação de diversas estruturas self-assembled incluindo uma estrutura que apresenta regime superdifusivo. / Water is fundamental to the existence and sustainability of life. Consequently its behavior, isolated or in contact with solvents, has been widely studied. Nevertheless, there are still water properties that are poorly understood. Recently in experiments and simulations with confined water new anomalies and amazing behaviors were found. Confined water is important for physics, chemistry, geology, biology, etc. and has relevant applications in technological processes as in catalysis, phase separation, manufacturing of nanomaterials, therefore, understanding the behavior of water in these conditions is very important. Confinement changes drastically the properties of the water and these changes depend on the type of confinement. Studies on water confined on silica nanotubes suggest that the water in the inner region of the pores crystallizes at a temperature bellow the freezing temperature of the bulk water (non-confined water) depending on the size of the nanotube, but the water in contact with the wall remains liquid. On carbon nanotubes, was found that the water freezes at high pressures and at a temperature below the freezing temperature of the bulk, on the other hand, water confined inside activated carbon wall freezes at T = 303K. Superflow was observed in carbon nanotubes with diameter lower then 2 nm due to the formation of a single line structure. Flow in hydrophilic nanotubes is larger than the expected from hydrodynamic equations but is much smaller than for the case of carbon nanotube. AlPO4-54 nanotubes are easily prepared in monodisperse crystalline structures. They have both hydrophobic and hydrophilic groups which may help the flux of water molecules inside the nanotube making these nanotubes great candidates for water treatment aplications. However, the behavior of water confined inside AlPO4-54 nanotubes is not well understood. In this work, the structural and dynamical properties of the confined water in AlPO4-54 nanotubes are analyzed for various temperatures and water loadings. We find that the water structure is controlled by the heterogeneity of the nanopore surface with the water molecules located preferentially next to the surface of oxygens of the AlPO4-54 consequently, at very low densities, water forms helicoidal structures in string-like arrangements. In addition, we studied a Janus dumbbels system confined between smooth plates in order to study the effects of confinement on the proposed model. We have identified the formation of several self-assembled structures including a structure which has a superdiffusive regime.

A compreensão dos processos físicos envolvidos no fluxo e no confinamento de fluidos complexos em sistemas manométricos é de grande interesse para físicos, químicos, biólogos e engenheiros, dada a gama de novas tecnologias envolvidas e da busca contínua de uma melhor compreensão da vida no nível molecular. Dentre os métodos teóricos para abordar este tema, a simulação computacional destaca-se como uma das ferramentas mais poderosas para seu o entendimento, muito embora o alto custo computacional ainda representam um grande obstáculo a ser transposto. Assim, o uso de modelos computacionais que permitam simulações simples, capazes de descrever microscopicamente os sistemas estudados, ao mesmo tempo de forma realista e com baixo custo computacional, ´e o desafio que se impõe. É exatamente em resposta a este desafio que nesta tese nos propusemos a estudar a difusão e estruturação de fluidos complexos através de nanocanais. Em uma primeira etapa do trabalho utilizamos um modelo computacional para calcular o fluxo de íons através de nanoporos e canais inseridos em membranas. O método baseia-se na utilização de simulação em Dinâmica Molecular Grande Canônica com Dois Volumes de Controle (DCV-GCMD) e na solução analítica para o potencial eletrostático dentro de um nanoporo cilíndrico recentemente obtida por Levin. A combinação da teoria de Levin com a simulação DCV-GCMD é utilizada para estudar o fluxo iônico através de um canal artificial que imita o comportamento do canal bactericida gramicidin. A, através da obtenção dos perfis corrente-voltagem e corrente-concentração para várias condições experimentais. Uma boa concordância com experimentos foi encontrada. Na segunda etapa do trabalho utilizamos um modelo de potencial contínuo de duas escalas para a água a fim de estudarmos a difusão através de um modelo coarse-grained de nanotubos de carbono. Diferentes estudos para estes fluidos foram realizados. A dependência da constante da difusão com o raio do nanotubo ´e estudada, e encontramos um resultado qualitativamente equivalente ao obtido em simulações de Dinâmica Molecular para modelos atomísticos de água. Analisando o perfil de densidade dentro do canal observamos que a competição entre as escalas gera o aumento anômalo na difusão para canais estreitos. Em seguida, calculamos o fator de aumento de fluxo para fluidos de duas escalas com interações repulsiva ou atrativa. Obtivemos um resultado comparável qualitativamente com experimentos para água em nanotubos, e mostramos como mudanças conformacionais na estrutura do fluido levam a transição de regime de fluxo contínuo para não-contínuo. Por fim, comparamos o comportamento do fluxo quando modificamos as escalas de interação, e mostramos que o comportamento anômalo somente ocorre quando existe competição entre as escalas. / The understanding of physical processes envolved in confinement and flux of complex fluids in nanoscale systems is of great interest to physicists, chemists, biologists and engineers. This knowledge open a large number of possibilities in new technologies and enables a better compreension of live at molecular level. Simulational methods stand out as one of the most powerful theoretical tool to the understanding of such systems. The high computational cost of such simulations, however, remains as a huge obstacle to be transposed. Therefore, the challenge is the use of simple simulational models capable to describe realistically the system of interest at a low computational cost. To this end, we proposed in this thesis ways to study the diffusion and structure of complex fluids confined inside nanotubes. First, we use a computational approach to calculate the ionic fluxes through narrow nano-pores and transmembrane channels. The method relies on a dual-control-volume grand-canonical molecular dynamics (DCV-GCMD) simulation and the analytical solution for the electrostatic potential inside a cylindrical nano-pore recently obtained by Levin. The Levin’s theory is combined with the DCV-GCMD technique to calculate the ionic fluxes through a synthetic channel which mimics the properties of the gramicidin A channel, obtaining the current-voltage and the current-concentration relations under various experimental conditions. A good agreement with experiments is found. Next, we use a two scale continuum potential for water to study the diffusion of water-like fluids through a coarse-grained model of carbon nanotubes. Several studies for this fluids were performed. The diffusion constant behavior for different channel radius was evaluated, and a good qualitative agreement with all atom Molecular Dynamics results was found. Also, we analise the radial density profile inside the nanotube and observe that the competition between the two scales in potential produces a anomalous increase in fluid diffusion for narrow channels. Then, the flow enhancement factor was evaluated for attractive and purelly repulsive water-like fluids. Our results are similar to experimental results for water flowing in carbon nanotubes. We show that structural changes in the fluid leads to a transition from continuum to non-continuum flow. Finally, we compare the effect of the two length scales in the flow behavior, and show that the anomalous behavior only occurs when there is a competition between the scales.

Nesta tese, estudamos o comportamento de um fluido tipo-água nanoconfinado entre placas paralelas rugosas e termalizadas. Primeiro analisamos o comportamento do diagrama de fases temperatura versus densidade desse sistema. Encontramos que o fluido se estrutura em camadas, sendo o número de camadas relacionado com o grau de confinamento. Mudanças no número de camadas também estão associadas com transições de fases de primeira ordem das camadas de contato. A estrutura, as regiões de transições de fases e os pontos críticos encontrados, são afetados pela estrutura das placas. De posse do diagrama de fases do sistema em equilíbrio, estudamos o comportamento desse fluido fora do equilíbrio. Observamos que para um regime de velocidade de escoamento muito baixa o fluido permanece com a estrutura idêntica a estrutura de equilíbrio. Para velocidades de escoamentos grandes observamos que as camadas centrais são destruídas passando a apresentar um comportamento tipo bulk. As camadas de contato apresentam uma estrutura diferente do observado para baixas velocidades, sendo consideradas em fase líquidas. Esse comportamento foi observado para densidades e temperaturas distintas. Nesse regime de escoamento a condição de não-deslizamento não é cumprida. Determinamos através de uma análise média de movimento que toda a camada adjacente à placa se move em relação à ela. / In this thesis we study the behavior of a waterlike fluid nanoconfined between rough and thermalized parallel plates. First, we analyzed the temperature versus density phase diagram of this system. We found that the fluid is structured in layers, and that number of layers is related with the degree of confinement. Changes in the number of layers are also associated with first order phase transitions. The structure, the transitions phase regions and the critical points, are affected by the plates structure. With the phase diagram of the equilibrium system, we studied the behavior of this fluid in a non-equilibrium system. We observed that for a very low velocity regime of flow the fluid structure is identical to the structure in equilibrium state. For high flow velocities we observed that the central layers are destroyed and start to present a bulk-like behavior. The contact layers present a different structure of the observed for low velocities, been considered in liquid phase. This behavior was observed for distinct densities and temperatures. In this flow regime the no-slip condition is not fulfilled. We determined, by an average analyze of the movement, that the contact layer move in relation to plate.

Neste trabalho, estudamos fluidos tipo-água confinados por placas. Primeiramente revisamos um modelo simples, em que o fluido é composto por partículas esféricas que interagem através de um potencial de duas escalas. Apresentamos os resultados do confinamento deste modelo por placas paralelas, fixas, rugosas e fracamente hidrofóbicas. Além de apresentar formação de camadas, o confinamento por placas também provoca mudanças significativas na termodinâmicas e na dinâmica do fluido. Enquanto que a anomalia na difusão começa a se manifestar para temperaturas mais baixas, a anomalia na densidade é deslocada para temperaturas mais baixas, pressões e densidades mais altas. Isto indica que sistemas confinados podem trazer entendimentos interessantes sobre a região metaestável de sistemas não-confinados. Também analisamos sistemas confinados por placas rugosas hidrofóbicas e hidrofílicas. Nosso modelo considera cinco tipos de inteirações partícula-parede, sendo três delas do tipo hidrofóbica e duas do tipo hidrofílica. Os efeitos dos tipos de interação partícula-parede sobre as propriedades do sistema são bastante diferentes. Enquanto que placas hidrofílicas tendem a facilitar a cristalização das partículas, placas hidrofóbicas diminuem a temperatura de cristalização da camada de contato, aumentando a região líquida do diagrama de fases em comparação com o bulk. O aumento da hidrofobicidade provoca um deslocamento das propriedades do fluido para uma região do diagrama de fases de temperaturas mais baixas comparadas ao bulk, enquanto que o aumento da hidrofilicidade provoca um deslocamento destas mesmas propriedades para uma região de temperaturas mais altas. Os efeitos da mobilidade das placas também são analisados. Abordamos dois tipos de confinamento: placas lisas e fixas, simuladas no ensemble NV T, e placas lisas e flutuantes, simuladas no ensemble NP⊥T. Observamos que o fluido tipo-água confinado por placas flutuantes apresenta uma estrutura em camadas, sem transição de fases entre elas, o que resulta num comportamento dinâmico normal e sem a presença da anomalia na difusão. Este resultado ´e devido à contribuição entrópica das placas na energia livre do sistema. Quando fixamos as placas, além de observarmos a transição de fase estrutural do fluido, também observamos que a anomalia na difusão aparece, como resultado de uma contribuição entálpica na energia livre do sistema. Três transições de fase de primeiro ordem são observadas nas camadas de contato do fluido confinado por placas fixas. Para altas densidades, observamos que o fluido transiciona de um sólido hexagonal para um cristal-líquido e posteriormente para um fluido. Por último, analisamos a influência da rugosidade das placas sobre as propriedades de um fluido tipo-água com a presença da transição líquido-líquido. Simulamos sistemas confinados por placas lisas, modeladas por um campo de força, e rugosas, onde as placas são formadas por partículas. O efeito do confinamento por estes dois tipos de superfície provoca mudanças significativas na solidificação das partículas e também tem efeito considerável sobre a localização dos pontos críticos vapor-líquido e líquido-líquido. / In this work, we studied waterlike fluids confined between plates. First, a simple model for bulk water, in which the fluid is formed by spherical particles that interact through a two-length scale potential, was introduced. The effect of the confinement of this model by parallel, fixed, rough and weakly hydrophobic plates was analyzed. In addition to the formation of layers, the confinement by plates also promotes significant changes in the thermodynamic and dynamic properties of the fluid. While the diffusion anomaly appears at lower temperatures, the density anomaly is shifted to lower temperatures, higher pressures and higher densities. This indicates that confined systems can be used to understand properties that in the bulk occur at unstable regions of the pressure versus temperature phase diagram. We also analyzed the confinement of hydrophobic and hydrophilic rough plates. In our model, we consider five types of particle-plate interaction potentials, where three were hydrophobic and the two were hydrophilic. The effects of different types of confinements in the anomalous properties of the waterlike fluid are very dependent of the nature of interaction between fluid and surfaces. The hydrophilic surface induce crystallization of the contact layers, but the hydrophobic one maintains the system in liquid state. Increasing the hydrophobicity, the properties of the fluid are shifted to lower temperatures in relation to bulk, while the increase of hydrophilicity causes a shifting to higher temperatures. The effects of the mobility of the plates were also analyzed. We studied two types of confinement: smooth and fixed plates, simulated in NV T-constant ensemble, and smooth and fluctuating plates, simulated in NP⊥T-constant ensemble. When the waterlike fluid is confined between fluctuating plates, a layering structure is observed without phase transition and without diffusion anomaly. This is due the entropic contribution in the total free energy. When the fluid is confined between fixed plates, besides the structural phase transition, the diffusion anomaly is observed, due the entalpy of the system. Three structural phase transitions were observed in the contact layer for fixed plates. For high densities, a hexagonal solid change to a crystal-liquidlike and after a fluid. We finally analyzed the influence of roughness of the plates in the properties of a waterlike fluid with liquid-liquid phase transition. We confined the fluid between smooth plates, modeled by a force field, and rough plates, constructed whit spherical particles. The confinement effect by the two kinds of confinements are strong in the solid-fluid phase transition and in the location of the anomalies and critical points.