Materiali nanoporosi idrofobici, posti a contatto con acqua all'interno di un contenitore sigillato, costituiscono un dispositivo in grado, a seconda delle caratteristiche del materiale, di dissipare o immagazzinare efficacemente energia meccanica.
Alla base dell'interesse tecnologico rappresentato da questi dispositivi sono le invidiabili caratteristiche di compattezza, economicità, efficienza ed ecocompatibilità che li caratterizzano.
Il principio alla base del funzionamento di tali apparati si basa sulla possibilità di intrudere ed estrudere, agendo sulle pareti del dispositivo, il liquido all'interno dei pori del materiale. Si ottiene in questo modo la conversione (nei due sensi) di energia meccanica in energia interna del sistema, immagazzinata sotto forma di tensione superficiale.
A seconda del materiale, della dimensione dei pori e della frequenza operativa il processo può risultare fortemente isteretico (e pertanto dissipativo) o al contrario quasi perfettamente reversibile.
Scopo di questo progetto è lo studio del funzionamento di tali dispositivi mediante simulazioni di dinamica molecolare (MD) e l'utilizzo di metodi ad eventi rari. L'uso di tecniche MD è reso insostituibile dall' impossibilità di studiare il bagnamento di un singolo nanoporo mediante tecniche sperimentali. In lavori precedenti [3-4] è stato da noi dimostrato il sorprendente accordo tra simulazioni MD su materiali modello e risultati sperimentali in letteratura.
Obiettivo specifico di questo progetto di ricerca è ottenere criteri di progetto maggiormente quantitativi attraverso una accurata caratterizzazione dei materiali porosi utilizzati nella pratica sperimentale e l'utilizzo di tecniche a eventi rari alternative [5], in grado di chiarire il ruolo di effetti dinamici precedentemente trascurati.
1) Eroshenko et al. J.Am.Chem.Soc 2001,123
2) Grosu et al. ChemPhysChem 2016,21
3) Tinti et al. PNAS 2017,114
4) Tinti et al. EPJ-E 2018,41
5) Allen et al. J.Phys.:Condens.Matter 2009,21
L' impianto del presente progetto di ricerca rappresenta, nelle ambizioni e nell'impostazione generale, un importante avanzamento rispetto all'attuale stato dell' arte nel campo della simulazione atomistica di intrusione/estrusione di acqua in nanopori idrofobici.
Scopo ultimo del progetto in esame è infatti colmare la distanza che separa l'attuale letteratura simulativa dalle più sofisticate campagne d'indagine sperimentali, promettendo un confonto dettagliato e quantitativo dei risultati tra i due metodi di indagine.
Al fine di ottenere un tale risultato si intende raffinare significativamente la modellistica della strutura del materiale nanoporoso in oggetto andando a riprodurre la struttura cristallina di un Metal-Organic Framework (ZIF-8) per le quali sono state sperimentalmente verificate in letteratura le proprietà di immagazzinamento di energia meccanica [1].
Un ulteriore significativo avanzamento sarà rappesentato dall'implementazione di tecniche a eventi rari specializzate (Forward Flux Sampling [2-3]). allo scopo di superare le difficoltà computazionali associate alla natura attivata dei fenomeni in esame. La scelta del metodo consentirà di fornire informazioni circa la fisica del processo (tempi caratteristici di intrusione/estrusione, dettagli sulla dinamica del pecorso) direttamente ed immediatamente confrontabili con i dati sperimentali. Tale scelta risulta in questo senso vantaggiosa rispetto ad altre tecniche (ad esempio rispetto allo String Method in collective variables utilizzato in refs. [4-5]) permettendo inoltre di tenere in conto anche di eventuali effetti dinamici o inerziali, trascurati da approcci complementari.
Al fine di ulteriormente evidenziare il potenziale di innovatività del progetto in esame appare opportuno richiamare come, ruscire ad ottenere, mediante simulazioni numeriche, una predizione quantitativa delle propietà di bagnabilità di materiali nanoporosi risulterebbe una operazione di fondamentale importanza per il progetto ed ingegnerizzazione di dispositivi commericali in grado di sfruttare le potenzialità energetiche di questi materiali.
1) Grosu et al, Nanoscale (2015)
2) Allen et al., J.Phys.:Condens.Matter (2009)
3) Bonella et al. , Eur. Phys. J. B (2012)
4) Tinti et al., PNAS (2017)
5) Tinti et al., Eur. Phys. J. E (2018)