Coloides carregados ou porosos: estudos das propriedades hidrodinâmicas e eletrocinéticas com o método Lattice Boltzmann

• Main Author: Wagner Gomes Rodrigues Junior
• Other Authors: Vera Bohomoletz Henriques
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2016
• Subjects: Coloides carregados; coloides porosos; ``Fast Multipole Method\'\'.; ``Lattice Boltzmann\'\'; Charged colloids; Fast Multipole Method; Lattice Boltzmann; porous colloids
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-27092016-163121/

Este trabalho teve como motivação experimental problemas surgidos nos laboratórios de biofísica do IF-USP em medidas com vesículas carregadas, que podem ser usadas para estudar membranas biológicas. As propriedades destes sistemas, e, em particular, como função da temperatura, só podem ser investigadas indiretamente. A interpretação dos resultados depende de uma modelagem coerente. Entre as exigências de coerência, estariam a justificativa para a discrepância entre resultados para as medidas de raio dos macroíons lipídicos, no intervalo de temperaturas próximas à transição gelfluido, obtidas por técnicas experimentais diferentes (Static Light Scattering (SLS) e Dynamic Light Scattering (DLS)) e as anomalias no calor específico, na condutividade e na mobilidade eletroforética da solução coloidal iônica, no mesmo intervalo de temperatura. Estudos anteriores a este trabalho sugeriam a formação de poros em tais vesículas, como tentativa de explicar diferenças nos resultados das técnicas de espalhamento, bem como o papel da análise do equilíbrio termodinâmico da dissociação sobre as propriedades térmicas e termoelétricas. Para interpretar e dar coerência aos diversos resultados experimentais existentes, é necessário desenvolver modelos teóricos. É objetivo deste trabalho desenvolver técnicas de tratamento de modelos teóricos quanto às propriedades de transporte. Assim, neste estudo utilizamos o método computacional conhecido como ``Lattice Boltzmann\'\' (LBM) procurando focar no estudo de propriedades de meios porosos e de coloides carregados. Para melhor compreensão dos limites e justificativas do modelo, realizamos um breve estudo sobre a equação de Boltzmann e suas propriedades. Assim, depois de desenvolver um código em linguagem C para o LBM, e testá-lo com resultados conhecidos, utilizamos o ``Lattice Boltzmann\'\' para determinar o coeficiente de arrasto de esferas e cascas esféricas porosas, comparando com resultados analíticos e experimentais conhecidos. Para o estudo de sistemas coloidais carregados, acoplamos o ``Lattice Boltzmann`` a outra técnica computacional, ``Fast Multipole Method\'\' (FMM), para poder estudar efeitos elétricos e hidrodinâmicos associados aos coloides com carga. Foram feitas simulações de fluxo eletrosmótico e eletrólitos entre placas carregadas que apresentaram resultados animadores ao comparar com resultados analíticos, constatando que FMM pode ser uma alternativa à resolução da equação de Laplace para determinar o potencial eletrostático em simulações com LBM. Além disso foram feitas simulações de mobilidade eletroforética em meios sem sal, que mostram que o código pode ser utilizado como ferramenta na busca da solução para as dúvidas surgidas no estudo de vesículas carregadas. === This study was inspired by the problem of interpreting experimental results arising in the Biophysics Laboratory of the Institute of Physics - USP. Different techniques are used to investigate charged vesicles that are used as an experimental model for biological membranes. Careful measurements of vesicle radius, in the range of gel-fluid transition temperature, through different experimental techniques, namely Static and Dynamic Light Scattering (SLS and DLS) led to very different results. Previous studies of the same system suggested the formation of pores in such vesicles. In addition, specific heat and conductivity measurements on charged vesicles displayed an anomalous region, in the range of gel-fluid transition temperature, as compared to neutral vesicles. In an attempt to make progress in the understanding of the above problems, we use the computational method known as Lattice Boltzmann Method (LBM) seeking to focus on the study of transport properties of porous and charged colloids. To better understand the limits of the model and justifications, we make a brief study of the Boltzmann equation and its properties. Thus, after developing a code in $C$ language for LBM, and testing it with known results, we use the Lattice Boltzmann method to obtain the drag coefficient of spheres and porous spherical shells. We compare our results with analytical and experimental results from the literature and obtain good fitting. For the study of charged colloidal systems, we associate the Lattice Boltzmann method with a computational technique for the calculation of the eletrostatic potential: the Fast Multipole Method (FMM), which enables us to study electrical and hydrodynamic effects on charged colloids. We simulate electroosmotic flow and electrolytes between charged plates, with encouraging results in the comparison with known analytical result. This suggests that FMM may be a good alternative to resolution of the Laplace equation to determine the electrostatic potential simulations with LBM. Moreover we have obtained the electrophoretic mobility for charged colloids in saltless solutions, which makes our code a possible instrument for the interpretation of experimental results on charged vesicles.