Análise do estado single file da água em SWNTs mediante um modelo do tipo Frenkel-Kontorova

Abstract

Evidências experimentais e teóricas têm confirmado que a água apresenta alta mobilidade quando confinada em nanotubos de carbono de raio suficientemente pequeno, mas esses estudos divergem quanto aos resultados e apontam diferentes causas para este fenômeno. Alguns autores sugerem que o atrito entre o nanotubo e as moléculas de água não depende diretamente do confinamento, e sim da topologia do nanotubo, sendo a topologia diretamente relacionada com o raio do nanotubo. Nesse contexto, estudamos especificamente a relação da topologia do nanotubo com a mobilidade da água no estado single file. Para realizar este estudo utilizamos um modelo generalizado de Frenkel-Kontorova unidimensional, onde a interação entre as moléculas é um potencial efetivo esfericamente simétrico de duas escalas, e o potencial utilizado para descrever a interação entre as moléculas de água e o nanotubo foi do tipo periódico. Ambos os potenciais foram propostos a partir da análise do comportamento da água TIP3P dentro do nanotubo de carbono. Para este sistema encontramos que a mobilidade das moléculas depende da interação entre as moléculas de água e o nanotubo, sendo que esta dependência está sujeita a razão entre o parâmetro de rede efetivo do nanotubo com a separação média entre as moléculas. Encontramos que a mobilidade é miníma quando essa razão se aproxima de 1/2 ou 1, e máxima quando essa razão se aproxima de 3/4. Os resultados obtidos neste trabalho estão de acordo com o obtido através de simulações específicas para a água confinada em nanotubos de carbono.<br>

Abstract : Experimental and theoretical evidences have confirmed that water has a high mobility when confined in carbon nanotubes with radius sufficiently small, but results point to different causes for this phenomenon. Some authors suggest that the friction between the nanotube and the water molecules does not depend directly on the confinement, but they do depend on the nanotube topology, which is directly related to the nanotube radius. In this context, we studied specifically the relation between the nanotube topology and the water mobility in the single file state. To conduct this study we have used a unidimensional generalized Frenkel-Kontorova model, where the interaction among the molecules is a Core-Softened Potential with two length scales, and the potential used to describe the interaction between water molecules and carbon nanotubes, is a periodic one. Both potentials have been proposed from the analysis of the TIP3P water behavior inside the nanotube. For this model we have found that the molecules mobility depends on the interaction between them and the nanotube, and this dependence is subject to the ratio of nanotube s effective lattice parameter and the average separation of the molecules. We have found that the mobility is minimum when this ratio gets close to 1=2 or 1, and it is maximum when this ratio gets close to 3=4. The results obtained in this work agree with those obtained by specific simulation of the confined water in carbon nanotubes.