Dissipative particle dynamics come strumento per reologia computazionale: applicazione a fluidi semplici e complessi = Dissipative particle dynamics as a tool for computational rheology: application to simple and complex fluids

Una delle sfide dell’ingegneria chimica moderna è quella di modellare la reologia di fluidi complessi, sfruttando l’aumento della potenza computazionale disponibile e lo sviluppo di metodi di simulazione sempre più efficienti. I fluidi strutturati sono ampiamente diffusi nelle industrie alimentari, cosmetiche, farmaceutiche e includono i liquidi e i fusi polimerici, le sospensioni di particelle colloidali, le soluzioni di micelle e le schiume liquide. Le loro proprietà reologiche sono estremamente importanti in quanto definiscono le loro possibili applicazioni e giocano un ruolo cruciale nella definizione di regole di progettazione e di scale-up dei processi e delle apparecchiature in cui sono trattati. Hanno proprietà intermedie tra i liquidi e i solidi ordinari. Essi possono creare una vasta gamma di microstrutture, che possono evolvere nel tempo assumendo morfologie completamente differenti. Il loro comportamento reologico è complesso e fortemente influenzato dalla forma e dalle dimensioni delle microstrutture createsi, le quali sono caratterizzate da scale spaziali maggiori rispetto alla scala atomica. I metodi di simulazione basati sulla Dinamica Molecolare convenzionale non sono quindi adatti per la descrizione di fluidi strutturati, in quanto si basano su un approccio completamente atomistico che comporterebbe elevati costi computazionali. Per ovviare tale limitazione, la Dissipative Particle Dynamics (DPD) è impiegata in questo lavoro di tesi. La DPD è considerata una delle tecniche di simulazione più flessibili: i fluidi strutturati sono simulati a scale spaziali e temporali fisicamente interessanti. Questo metodo rientra fra i modelli coarse-grained, nei quali gruppi di atomi e molecole, i cosiddetti beads, sono trattati come entità singole, ognuna rappresentativa di una componente molecolare del sistema complesso. È pertanto possibile simulare il comportamento idrodinamico di fluidi strutturati con un numero di particelle decisamente minore e riducendo il costo computazionale. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di investigare l’uso della DPD come strumento per la reologia computazionale, con particolare attenzione all’effetto di alcuni parametri del modello sulle proprietà reologiche predette, e la sua applicazione a fluidi semplici e complessi. Pluronic è il nome commerciale di un copolimero a blocchi anfifilico costituito da due catene laterali di Polietilenossido (PEO) e una catena centrale di Polipropilenossido (PPO). Le molecole di Pluronic in acqua, in base alla concentrazione e alla temperatura, si auto-assemblano formando delle micelle che presentano un nucleo costituito dalle unità PPO più idrofobe e una corona esterna formata da quelle PEO più idrofile. Le simulazioni DPD convenzionali forniscono previsioni reologiche non realistiche, in accordo solo qualitativo con i valori sperimentali. Nella prima fase del lavoro le simulazioni sono state condotte per un fluido semplice, rappresentativo dell’acqua. Gli obiettivi perseguiti sono stati quelli di definire una corretta procedura di calcolo della viscosità dinamica basata sulla formula di Green-Kubo e di individuare i parametri del modello per la riproduzione delle reali proprietà di trasporto dell’acqua. Nella seconda fase le simulazioni sono state condotte per la miscela di acqua e Pluronic L64 con l’obiettivo di identificare i parametri di modello adeguati a predirne la viscosità.