Transferência e dispersão de calor em materiais nanoporosos preenchidos com fluidos: impacto das interfaces e das linhas triplas

• Processo: 23/03170-6
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de abril de 2024
• Data de Término da vigência: 31 de março de 2028
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Química
• Acordo de Cooperação: ANR
• Pesquisador responsável: Luís Fernando Mercier Franco
• Beneficiário: Luís Fernando Mercier Franco
• Pesquisador Responsável no exterior: Benoit Coasne
• Instituição Parceira no exterior: Centre National de la Recherche Scientifique, França
• Instituição Sede: Faculdade de Engenharia Química (FEQ). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Cyril Picard
• Assunto(s): Termodinâmica Transferência de calor Condutividade térmica Membranas nanoporosas Simulação de dinâmica molecular
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Experiment | Fluid | Molecular simulation | Nanoporous materials | solid interface and triple line | theory approach | Thermal conductivity and heat transfer | Thermodynamics

Resumo

Com sua extensa área superficial interna e porosidade confinante severa, materiais nanoporosos estão na proa da estratégia de mitigação das crises ambiental e energética com aplicações-chave em adsorção, catálise, isolamento, etc. Mesmo assim, apesar da intensa pesquisa sobre o comportamento de fluidos nanoconfinados, a geração, a transferência e a dispersão de calor envolvidas em processos baseados em adsorção permanece um ponto cego. Primeiro, os efeitos térmicos como os fenômenos de liberação de calor pela adsorção, pelo transporte e por reação são bem conhecidos na área, mas os fenômenos moleculares que os governam ainda precisam ser plenamente explorados. Em particular, o impacto de interfaces sólido/fluido extensas e a linha de contato entre fases gasosa, líquida e sólida tem recebido pouca atenção. Segundo, enquanto o transporte térmico em um fluido nanoconfinado em repouso ou em movimento inercial tem sido considerado, processos térmicos em situações fora do equilíbrio correspondentes a penetração do fluido em um material nanoporoso têm conquistado pouco interesse. Uma melhor compreensão destas questões usando um arcabouço microscópico robusto permitiria predizer e racionalizar desde as primeiras etapas quaisquer problemas de dissipação ou transferência de energia (isto é, antecipar aspectos críticos em um estado avançado no desenvolvimento de tecnologias). De um ponto de vista fundamental, desvelar os fenômenos moleculares envolvidos em tais questões (por exemplo, liberação, condução e dispersão de calor) poderia preparar o caminho para o projeto de novos métodos de adsorção ou separação nos quais transferência de calor é aproveitada para controlar ou estimular processos. Aqui, propomos uma abordagem conjunta teórica/experimental para investigar os processos térmicos que ocorrem quando fluidos estão confinados em sólidos nanoporosos. Usando sistemas simples compostos de água em materiais nanoporosos de sílica com diferentes hidrofilicidade/hidrofobicidade, a pressão do fluido será variada para cobrir situações desde um gás ou um líquido (monofásico) confinado até coexistência gás/líquido (multifásico), como encontrado em aplicações de engenharia química. Primeiro, tratando de situações em equilíbrio (nenhum movimento), investigaremos o papel das interfaces gás/sólido, líquido/sólido e gás/líquido e da linha sólido/líquido/gás sobre a condutividade térmica efetiva nestes sistemas complexos sólido/fluido. Segundo, considerando situações fora do equilíbrio nas quais fluidos mono e multifásicos estão em movimento com respeito ao sólido (isto é, escoamento de fluido ou enchimento/esvaziamento), desvelaremos os mecanismos pelos quais calor é gerado, transferido e disperso. De forma mais minuciosa, materiais porosos modelos incluindo silicatos (poros ~nm) e sílicas mesoporosas (poros de alguns nanômentos) serão usados para investigar efeitos de tamanho de poro - em particular, estas famílias permitem amostrar diferentes situações como se o enchimento do poro é reversível, contínuo (adsorção tipo Langmuir) e irreversível, descontínuo como em sílica mesoporosa (adsorção seguida de condensação capilar). Mais ainda, para sílicas mesoporosas, usaremos diferentes terminações superficiais para considerar o impacto da hidrofilicidade/hidrofobicidade nos processos térmicos sob estudo. Em adição a combinação de teoria e experimentos, a força deste projeto de interface entre ciência dos materiais, engenharia química e físico-química é sua natureza multiescala. Enquanto simulações moleculares desvelarão os mecanismos microscópicos básicos responsáveis pela geração, condução e dispersão de calor, experimentos serão usados para racionalizar e predizer o comportamento macroscópico em combinação com cálculos de Rede Boltzmann e abordagens formais de engenharia química. (AU)