Simulación computacional de no equilibrio de una solución de partículas coloidales con flujo en un microporo cilíndrico

Abstract

El estudio y utilización prácticos de los sistemas coloides no es algo nuevo. A lo largo de la historia, el hombre lo ha usado y estudiado. Prueba de ellos son las pinturas encontradas en las cuevas de Lascaux que datan de la Edad de Piedra (cerca de la ciudad de Marsella, Francia). El estudio de los coloides se impuso como disciplina a mediados del siglo XIX. En 1828, Robert Brown observó que, en una solución de agua, cierto tipo de polen realizaba un movimiento continuo, en zigzag[!]. En 1845 Francesco Selmi describió los primeros ejemplos de partículas coloidales. En 1850, Michael Faraday realizó estudios sobre sólidos, partículas de oro más específicamente, en agua. En 186 lThomas Graham introdujo el término coloide, que quiere decir "pegamento" en griego. Fue en 1905 que Einstein encontró una relación entre el movimiento Browniano y el coeficiente de difusión. En 1909 Jean Baptiste Perrin usó esta relación para determinar un valor del Número de Avogadro. Avances significativos explicando la estabilidad de coloides fueron hecho en 1945 mediante la teoría de Derjaguin-Landau y Verweey Overbeek (DLVO) [2]. Una razón para estudiar coloides es que la mayoría de los sistemas biológicos están compuestos por proteínas, polielectrolitos y moléculas anfifilicas en medios acuosos. Sólo por su tamaño, estas moléculas tienen propiedades coloidales. Las partículas pueden ser consideradas como coloides cuando tienen un tamaño en el intervalo de 1 nm a 500 nm [3]. Además. la mayoría de los procesos industriales están relacionados con sistemas coloidales. En pocas palabras. la mayor motivación para estudiar comportamientos reológicos, es caracterizar materiales y resolver problemas prácticos. Una suspensión, consiste en partículas sólidas dispersas en un medio líquido. Generalmente, las suspensiones se dividen en tres categorías: partículas sólidas en un medio líquido, gotas dentro de un líquido y un gas en un líquido. En el capítulo 2, se presenta una tabla más detallada. Todas estas categorías tienen mucha importancia práctica tanto en la biología como en la industria. El sólo hecho de añadir una esfera rígida a un líquido altera la viscosidad del sistema. Y aunque en realidad afecta muy poco a la viscosidad, tal y como se presenta en la curva inferior de la figura l .a. Sin embargo, si las esferas son lo suficientemente pequeñas (menores a una micra), aunque sea a baja concentración, la viscosidad puede aumentar más de un orden de magnitud [4]. Además, cuando un líquido se confina, aparece un comportamiento dinámico diferente [5]. En este trabajo de tesis se presentan simulaciones hechas por medio de dinámica browniana a sistemas coloidales que se encuentran en confinamiento y bajo flujo. El interés para hacer esto, es que, al usar simulaciones, se utiliza menos tiempo para recopilar información sobre un sistema dado. En este caso se trata de partículas coloidales monodispersas en un poro cilíndrico de radio fijo. La tesis está estructurada en cuatro capítulos. En este capítulo se presentó una breve introducción al sistema a estudiar. En el Capítulo 2 se presentan conceptos básicos los cuales van a servir de base para los siguientes capítulos. En el Capítulo 3 se construyen los elementos básicos necesarios para poder implementar un algoritmo computacional el cual va a permitir hacer los cálculos necesarios para la descripción de las propiedades del sistema a estudiar. En el Capítulo 4 se presentan los resultados y discusión para los diferentes casos de interés que se tuvieron en mente. En dicho trabajo, se hicieron simulaciones computacionales de dinámica browniana de no equilibrio para una suspensión coloidal altamente cargada bajo flujo de Poiseuille y dentro de un poro cilíndrico. Los parámetros que definen al sistema son: el radio y longitud del cilindro, la razón de corte del flujo con la pared del cilindro y los tipos y alcances de las interacciones. Los parámetros que se mantuvieron constantes fueron: el número de partículas y los potenciales de interacción. Los variables fueron el radio del cilindro (30 y 60 veces el diámetro de las partículas coloidales}, la fracción volumétrica (0.0006 y 0.0009) y la razón de corte con la pared, la cual fue variable dependiendo de las dos variables anteriores. El programa se ejecutó con 950000 pasos de donde se empezó a hacer estadística a los 50000 para que la energía potencial se estabilizara. Para ver la estructura que tenía cada sistema, se usó el perfil de densidad n(p) y la función de correlación a pares g(). [6] sobre las cuales habrá una breve explicación en el capítulo 2.