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Água em condições normais consiste de um fluido termodinamicamente próximo à fase líquida-vapor exibindo alta tensão superficial. Esta combinação conduz a fenômenos capilares interessantes na escala microscópica. Simulações computacionais baseadas em técnicas de Dinâmica Molecular em solutos hidrofóbicos por exemplo fornecem evidências do fenômeno de evaporação capilar em escalas nanométricas dando origem à formação de bolhas nanométricas confinad (mais) as entre superfícies hidrofóbicas. Este fenômeno tem sido exemplificado em solutos de complexidade variável, ex placas de parafina, polímeros, canais biológicos e de estado sólido bem como proteínas tratadas atomicamente. Tem sido arguido quebolhas nanométricas possuem impacto significativo nos mecanismos fluídicos nanométricos e na estabilidade e dobramento de proteínas. Dado que simulações baseadas em dinâmica molecular são custosas computacionalmente, o desenvolvimento de uma modelagem multiescala eficiente sob o ponto de vista computacional impõe uma tarefa formidável à comunidadenano-física. Recentemente apresentamos um novo e versátil modelo de solvente denominado modelo implícito variacional de solvente (VISM) o qual é baseado em um funcional deenergia geométrica. Tal como apresentado aqui os primeiros estudos de solvatação de solutos hidrofóbicos simples usando VISM acoplados com esquemas numéricos de conjunto de níveis mostraram resultados promissores e em particular capturaram a formação de nano-bolhas e a sua competição com potenciais localmente energéticos em condições de confinamento hidrofóbico.

Water at normal conditions is a fluid thermodynamically close to the liquid-vapor phase coexistence and features a large surface tension. This combination can lead to interesting capillary phenomena on microscopic scales. Explicit water molecular dynamics (MD) computer simulations of hydrophobic solutes, for instance, give evidence of capillary evaporation on nanometer scales, i.e., the formation of nanometer-sized vapor bubbles (nanobubbles) between confining hydrophobic (mais) surfaces. This phenomenon has been exemplified for solutes with varying complexity, e.g., paraffin plates, coarse-grained homopolymers, biological and solid-state channels, and atomistically resolved proteins. It has been argued that nanobubbles strongly impact interactions in nanofluidic devices, translocation processes, and even in protein stability, function, and folding. As large-scale MD simulations are computationally expensive, the efficient multiscale modeling of nanobubbles and the prediction of their stability poses a formidable task to the'nanophysical' community. Recently, we have presented a conceptually novel and versatile implicit solvent model, namely, the variational implicit solvent model (VISM), which is based on a geometric energy functional. As reviewed here, first solvation studies of simple hydrophobic solutes using VISM coupled with the numerical level-set scheme show promising results, and, in particular, capture nanobubble formation and its subtle competition to local energetic potentials in hydrophobic confinement.

Dada uma argila montmorilonítica de alta porosidade e saturada por counteríons monovalentes, investigamos as respostas da argila ao nível de partículas para diferentes cargas externas. Como soluções analíticas não são possíveis para arranjos complexos de partículas, empregamos modelos computacionais micro-mecânicos (baseados na solução das equações de Poisson-Nernst-Planck), utilizando o método de elementos finitos, para estimar counteríons e distribuiç (mais) ões de potencial elétrico para partículas em diversos ângulos e distâncias uma da outra. Nós então calculamos as pressões de separação usando a relação de Van't Hoff e a tensão de cisalhamento de Maxwell. À medida que a distância entre as partículas de argila diminui e as duplas camadas se sobrepõem, a concentração de counteríons nos microporos entre as partículas de argila aumenta. Este aumento reduz o potencial químico do fluido nos poros e cria um gradiente de potencial químico no solvente, que gera a chamado pressão 'osmótica' ou de 'separação'. Devido a esta pressão de separação, as partículas não precisam de contato entre si, a fim de exercer uma 'tensão efetiva'. Este trabalho pode conduzir a previsões teóricas da resposta macroscópica a carga de deformação em solos montmoriloníticos baseado na modelação micromecânica das partículas.

Given a montmorillonitic clay soil at high porosity and saturated by monovalent counterions, we investigate the particle level responses of the clay to different external loadings. As analytical solutions are not possible for complex arrangements of particles, we employ computational micromechanical models (based on the solution of the Poisson-Nernst-Planck equations) using the finite element method, to estimate counterion and electrical potential distributions for partic (mais) les at various angles and distances from one another. We then calculate the disjoining pressures using the Van't Hoff relation and Maxwell stress tensor. As the distance between the clay particles decreases and double-layers overlap, the concentration of counterions in the micropores among clay particles increases. This increase lowers the chemical potential of the pore fluid and creates a chemical potential gradient in the solvent that generates the socalled 'disjoining' or 'osmotic' pressure. Because of this disjoining pressure, particles do not need to contact one another in order to carry an 'effective stress'. This work may lead towards theoretical predictions of the macroscopic load deformation response of montmorillonitic soils based on micromechanical modelling of particles.

Argilas e hidratos de cálcio (principal produto de cimentos) ambos exibem microestrutura composta por partículas em forma de lamelas. O principal mecanismo responsável pelo fenômeno de fluência macroscópico é frequentemente descrito pelo deslizamento entre as lamelas. O artigo propõe uma abordagem micromecânica para estimar a fluência macroscópica que surge a partir do mecanismo microscópico. A evolução assintótica da fluência para tempos curtos e longos � (mais) � especialmente investigada. Mais precisamente uma tensão inicial não nula é derivada. Para tempos longos um limiar de porosidade surge da modelagem. Na faixa de porosidades mais baixas a evolução da fluência admite deformação assintótica. Para porosidades altas o problema admite taxa de deformação assintótica.

Both clays and calcium silicate hydrates(the main hydration products of Portland cements) exhibit a microstructure made up of lamellar particles. The microscopic mechanism responsible for the macroscopic creep of such materials is often described as the relative sliding of the sheets. This paper proposes a micromechanical approach to estimate the macroscopic creep behavior rising from this microscopic mechanism. The asymptotic evolution of creep at both short- and long-te (mais) rm is especially investigated. More precisely, a non-vanishing initial elastic strain is retrieved. At long-term, a threshold on porosity appears. At lower porosities, the creep evolution admits an asymptotic strain. At higher porosities, it admits an asymptotic strain rate.

Durante a exploração de óleo e gás um fluido de perfuração é usado para lubrificar 'bit' da perfuradora, manter a pressão hidrostática, transmitir sensores de leitura, remover resíduos da rocha e inibir o inchamento da argila instável baseada nas formações dos folhelhos. O aumento das preocupações ambientais bem como a legislação resultante levou à procura de novos fluidos de perfuração com componentes biodegradáveis. No caso dos aditivos para inibir (mais) o inchamento das argilas o entendimento das interações entre os aditivos e as argilas tem que ser adquirido para permitir o projeto de moléculas commelhores propriedades. Devido à natureza desordenada da dimensão nanoscópica dos nano poros dos minerais argilosos, simulações computacionais têm se tornado uma ferramenta poderosa para estudar as interações entre o inchamento da argila e o inibidor. Neste trabalho revisamos brevemente o histórico do desenvolvimento de fluidos técnicos de perfuração, o impacto ambiental dos fluidos de perfuração e o uso de simulações computacionais para estudar as interações entre os fluidos de perfuração e os inibidores do inchamento. Nós reportamos resultados para alguns estudos baseados em simulações de dinâmica molecular em larga escala em uma solução aquosa de baixo peso molecular com solutos compostos por macromoléculas inibidoras. A estrutura e as interações entre inibidores compostos por polipropileno óxido, polietileno óxido e moléculas e a argila montmorilonita são estudadas.

During exploration for oil and gas, a technical drilling fluid is used to lubricate the drill bit, maintain hydrostatic pressure, transmit sensor readings, remove rock cuttings and inhibit swelling of unstable clay based reactive shale formations. Increasing environmental awareness and resulting legislation has led to the search for new, improved biodegradable drilling fluid components. In the case of additives for clay swelling inhibition, an understanding of how existin (mais) g effective additives interact with clays must be gained to allow the design of improved molecules. Owing to the disordered nature and nanoscopic dimension of the interlayer pores of clay minerals, computer simulations have become an increasingly useful tool for studying clay-swelling inhibitor interactions. In this work we briefly review the history of the development of technical drilling fluids, the environmental impact of drilling fluids and the use of computer simulations to study the interactions between clay minerals and swelling inhibitors. We report on results from some recent large-scale molecular dynamics simulation studies on low molecular weight water-soluble macromolecular inhibitor molecules. The structure and interactions of poly(propylene oxide)-diamine, poly(ethylene glycol) and poly(ethylene oxide)-diacrylate inhibitor molecules with montmorillonite clay are studied.

A teoria de transporte em meios porosos tais como argilasdepende do nível de descrição. Na escala macroscópica, equações da hidrodinâmica são utilizadas. Tais descrições a níveldo contínuo são convenientes para tratar o movimento do fluido em sistemas confinados. No entanto, tais equações são válidas se os poros do material são muito maiores do que as moléculas das componentes do sistema. Uma outra abordagem consiste em usar descrições moleculares. Es (mais) ses dois métodos que correspondem a diferentes níveis de descriçãosão complementares. A ligação entre eles pode ser elucidada usando um procedimento de mudança de escala onde são tomadas médias das leis microscópicas sobre as variáveis rápidas para se obter as leis macroscópicas para tempos longos. Apresentamos esta abordagem no caso de argilas. Primeiramente apresentamos em detalhes os vários níveis de descrição bem como as relações entre eles, enfatizando o domínio de validade das equações hidrodinâmicas. Em seguida, focamos no caso de argilas desidratadas onde a hidrodinâmica não é relevante. Mostramos que é possível derivar um modelo simples para o movimento dos íons césio baseado na diferença entre as escalas de tempo do solvente e das partículas do soluto.

The theory of transport in porous media such as clays depends on the level of description. On the macroscopic scale,hydrodynamics equations are used. These continuous descriptions are convenient to model the fluid motion in a confined system. Nevertheless, they are valid only if the pores of the material are much larger than the molecular size of the components of the system. Another approach consists in using molecular descriptions. These two methods which correspond to (mais) different levels of description are complementary. The link between them can be clarified by using a coarse-graining procedure where the microscopic laws are averaged over fast variables to get the long time macroscopic laws. We present such an approach in the case of clays. Firstly, we detail the various levels of description and the relations among them, by emphasizing the validity domain of the hydrodynamic equations. Secondly, we focus on the case of dehydrated clays where hydrodynamics is not relevant. We show that it is possible to derive a simple model for the motion of the cesium ion based on the difference on time scale between the solvent and the solute particles.

Um modelo eletrocinético rigoroso para compósitos formados por um hidrogel e um colóide é adotado para computar os perfis macroscópicos de concentração eletrolítica, potencial eletrostático e pressão hidrostática através de uma membrana que separa soluções com diferentes concentrações eletrolíticas. A membrana é composta por um hidrogel polimérico sem carga elétrica onde partículas esféricas são imobilizadas e dispersas aleatoriamente com baixa fra� (mais) �ão de volume do sólido. As características da membrana e a sua performance são calculadas a partir de um modelo eletrocinético de contínuo microscópico (Hill 2006b, c). As computações realizadas neste artigo quantificam os potenciais de corrente e de membrana. Para o potencial de membrana, aumentando a fração de volume das inclusões carregadas negativamente diminui o diferencial do potencial eletrostático através da membrana sob condições de fluxo convectivo e corrente elétrica nulos. Para concentrações eletrolíticas baixas o potencial de membrana torna-se muito sensível à fração de volume das partículas. De maneira similar, o potencial de membrana e as cargas elétricas trazidos pelo tamanho da inclusão, carga e concentração podem prover um diagnóstico experimental útil para complementar aplicações mais recentes do modelo eletrocinético microscópico em eletroacústica e eletro-micro-reologia (Hill and Ostoja-Starzewski 2008, Wang and Hill 2008).

A rigorous microscale electrokinetic model for hydrogel-colloid composites is adopted to compute macroscale profiles of electrolyte concentration, electrostatic potential, and hydrostatic pressure across membranes that separate electrolytes with different concentrations. The membranes are uncharged polymeric hydrogels in which charged spherical colloidal particles are immobilized and randomly dispersed with a low solid volume fraction. Bulk membrane characteristics and pe (mais) rformance are calculated from a continuum microscale electrokinetic model (Hill 2006b, c). The computations undertaken in this paper quantify the streaming and membrane potentials. For the membrane potential, increasing the volume fraction of negatively charged inclusions decreases the differential electrostatic potential across the membrane under conditions where there is zero convective flow and zero electrical current. With low electrolyte concentration and highly charged nanoparticles, the membrane potential is very sensitive to the particle volume fraction. Accordingly, the membrane potential - and changes brought about by the inclusion size, charge and concentration - could be a useful experimental diagnostic to complement more recent applications of the microscale electrokinetic model for electrical microrheology and electroacoustics (Hill and Ostoja-Starzewski 2008, Wang and Hill 2008).

Uma suspensão bidimensional coloidal sujeita a um substrato periódico evolui para um cristal coloidal molecular em situações de forte confinamento. Nós focamos na ordem de orientação emergindo a partir do estado fundamental. Fazendo uso de simulações, estudamos as situações onde em cada armadilha reside um par de colóides idênticos ou, alternativamente, um par de macro-íons de cargas opostas. Consideramos geometrias quadradas ou triangulares para o confinamento periódico com arranjos simétricos com menor distorção.

A two dimensional colloidal suspension subject to a periodic substrate evolves into a colloidal molecular crystal under situationsofstrongconfinement. Wefocusonthelongrangeorientationalordertherebyemerging, inthegroundstate. We study by simulations the situations where in each trap lies a pair of identical colloids, or alternatively a pair of oppositelychargedmacroions. We consider square or triangular geometries for the periodic confinement, together with less symmetric distorted lattices.

Quando o comprimento de Debye é comparável ou maior do que as distâncias entre duas partículas idênticas, a interseção entre as duplas camadas pode desempenhar papel importante na interação entre elas. Este artigo apresenta uma análise teórica da interação entre duas partículas idênticas as quais apresentam interseção entre as camadas duplas. Nós particularmente focamos a análise sobre o efeito da condição eletrostática de Stern a partir da lineariza (mais) ção da isoterma de adsorção perto do ponto isoelétrico para capturar como a condensação do íon polivalente afeta e reverte a densidade de carga superficial. O problema que governa o potencial estacionário é resolvido no contexto de uma teoria assintótica de lubrificação para o modelo de Poisson-Boltzmann. O modelo é analisado para partículas cilíndricas e esféricas. Os resultados são finalmente discutidos no contexto do limite de Debye-Hückel e além dele.

When Debye length is comparable or larger than the distance between two identical particles, the overlapping among the particles double-layers can play an important role in their interactions. This paper presents a theoretical analysis of the interaction among two identical particles with overlapped double-layers. We particularly focus on the effect of a Stern electro static condition from linearization of the adsorption isotherm near the isoelectric (neutrality) point in (mais) order to capture how polyvalent ion condensation affect sand reverses the surface charge. The stationary potential problem is solved within the framework of an asymptotic lubrication approach for a mean-field Poisson-Boltzmann model. Both spherical and cylindrical particles are analyzed. The results are finally discussed in the context of Debye-Hückel (D-H) limit and beyond it.

Interações íon-específicas (dependentes do tipo de íon presente em solução) entre duas partículas coloidais são calculadas usando a equação de Poisson-Boltzmann (PB) modificada e simulações de Monte Carlo (MC). As equações de PB apresentam bons resultados de perfis de concentração nas proximidades de um macro-íon, principalmente para soluções salinas contendo íons monovalentes. Estas equações incluem não só interações eletrostáticas, mas també (mais) m potenciais de dispersão, que têm origem nas polarizabilidades de íons e proteínas, permitindo a predição de propriedades íon-específicas de sistemas coloidais. Os resultados obtidos a partir da equação de PB modificada são comparados com outros obtidos por simulação de MC e por equações integrais. Diagramas de fase e o segundo coeficiente de virial são obtidos para diferentes sais e diferentes valores de pH e força iônica, em concordância com efeitos de Hofmeister observados experimentalmente. Interações efetivas obtidas por dinâmica molecular entre cada íon e uma superfície hidrofóbica foram incluídas na equação de PB, a fim de considerar a estrutura da água e efeitos de hidratação. O método mostrou-se eficiente e adequado para descrever fenômenos onde a estrutura da água nas proximidades da interface desempenha papel essencial. Propriedades termodinâmicas importantes, relacionadas com a agregação de proteínas, essenciais em biotecnologia e indústrias farmacêuticas, podem ser obtidas pelo método aqui apresentado.

Ion-specific interactions between two colloidal particles are calculated using a modified Poisson-Boltzmann (PB)equationandMonteCarlo(MC)simulations. PBequationspresentgoodresultsofionicconcentration profiles around a macroion, especially for salt solutions containing monovalent ions. These equations include not only electrostatic interactions, but also dispersion potentials originated from polarizabilities of ions and proteins. This enables us to predict ion-specific pro (mais) perties of colloidal systems. We compared results obtained from the modified PB equation with those from MC simulations and integral equations. Phase diagrams and osmotic second virial coefficients are also presented for different salt solutions at different pH and ionic strengths, in agreement with the experimental results observed Hofmeister effects. In order to include the water structure and hydration effect, we have used an effective interaction obtained from molecular dynamics of each ion and a hydrophobic surface combined with PB equation. The method has been proved to be efficient and suitable for describing phenomena where the water structure close to the interface plays an essential role. Important thermodynamic properties related to protein aggregation, essential in biotechnology and pharmaceutical industries, can be obtained from the method shown here.