Mobilidade da água confinada em nanotubos de carbono deformados : uma análise via dinâmica molecular

Abstract

Investigamos, através de simulações de dinâmica molecular, o comportamento da difusão da água confinada em nanotubos de carbono, armchair e zigzag, com diferentes graus de deformação e submetidos a diferentes faixas de temperatura. Este tema é importante porque na natureza dificilmente haverá nanotubos perfeitos, devido à deposição destes em substratos, a defeitos ou ligação de moléculas, ou átomos em sua estrutura. Descobrimos que a água é congelada quando confinada no nanotubo (9, 9) sem deformação e se torna líquida se tal nanotubo for deformado acima de um certo limite. Isso sugere que a forma do nanotubo é um ingrediente importante quando se considera as propriedades dinâmicas e estruturais da água confinada. Os resultados das nossas simulações revelam que nanotubos com deformações mais realistas devem ser considerados para entender o comportamento de difusão da água confinada, pelo menos para os nanotubos mais estreitos, quando a interação entre moléculas de água e átomos de carbono é mais relevante. Analisamos, também, os diferentes mecanismos de difusão quando a temperatura da água é variada de 190 K a 380 K. Os resultados mostram que a água apresenta um cruzamento de difusão não-Arrhenius para Arrhenius. O confinamento muda a transição de difusão para temperaturas mais altas em comparação com o sistema da água em bulk. Portanto, de modo geral, concluíımos que devido á natureza hidrofóbica dos nanotubos de carbono, as moléculas de água tendem a evitar a superfície. Esse fato desempenha um papel central na difusão da água, principalmente em nanotubos estreitos. Além disso, as moléculas também tentam minimizar a energia formando redes de ligações de hidrogênio. Esses dois processos governam a mobilidade da água confinada de uma maneira não trivial.

We investigated, through molecular dynamics simulations, the diffusion behavior of confi ned water in carbon nanotubes, armchair and zigzag, with different degrees of deformation and subjected to different temperature ranges. This issue is important because in nature there will hardly be perfect nanotubes, due to their deposition on substrates, defects or binding of molecules, or atoms in their structure. We found that water is frozen when confined in the nanotube (9, 9) without deformation, and becomes liquid if that nanotube is deformed above a certain limit. This suggests that the shape of the nanotube is an important ingredient when considering the dynamic and structural properties of confined water. The results of our simulations reveal that nanotubes with more realistic deformations must be considered to understand the diffusion behavior of confined water, at least for the narrowest nanotubes, when the interaction between water molecules and carbon atoms is more relevant. We also analyze the different diffusion mechanisms when the water temperature is varied from 190 K to 380 K. The results show that the water presents a non-Arrhenius to Arrhenius diffusion cross. Confinement changes the diffusion transi- tion to higher temperatures compared to the bulk water system. Therefore, we generally conclude that due to the hydrophobic nature of carbon nanotubes, water molecules tend to avoid the surface. This fact plays a central role in water diffusion, especially in narrow nanotubes. In addition, molecules also try to minimize energy by forming networks of hydrogen bonds. These two processes govern the mobility of confined water in a non-trivial way.