Exploring schwarzites : carbon-based porous structures for carbon dioxide capture

Abstract

Resumo: Neste trabalho, é apresentada a metodologia utilizada para estudar a adsorção de gás em Schwarzites. Essas estruturas cristalinas de carbono únicas possuem curvaturas gaussianas negativas e foram originalmente desenvolvidas por Mackay e Terrones em 1991, por meio do uso de ligações do tipo sp2 para povoar Superfícies Minimais Triplamente Periódicas (TPMS) com anéis contendo seis ou mais átomos de carbono. Para calcular as propriedades de tais sistemas, foi empregada a dinâmica molecular, uma abordagem computacional que resolve as equações de movimento de Newton para derivar a temperatura e outras grandezas como funções das posições e velocidades das partículas. As simulações foram realizadas utilizando o software de código aberto Lammps, uma ferramenta essencial para modelar sistemas de partículas de diferentes escalas e a principal ferramenta de simulação utilizada neste trabalho. Para as simulações de dinâmica molecular, utilizou-se o ensemble grande canônico, uma vez que o número de partículas no sistema era a quantidade de interesse. As interações entre as partículas foram calculadas usando um potencial de Lennard-Jones com um termo adicional de interação par a par de Coulomb. O campo de força UFF foi utilizado para descrever a estrutura de carbono, e TraPPE, uma coleção de formas funcionais e parâmetros de interação, foi utilizado para modelar as moléculas de CO2 em nossas simulações.

Abstract: This work presents the methodology used to study the gas adsorption in Schwarzites. These unique crystalline carbon structures possess negative Gaussian curvatures, and were originally developed by Mackay and Terrones in 1991 through the use of sp2-type bonds to populate Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) with rings containing six or more carbon atoms. To calculate the properties of such systems, molecular dynamics simulations were employed, a computational approach that solves Newton’s equations of motion to derive temperature and other observables as functions of particle positions and velocities. The simulations were performed using the open-source software Lammps, which is an essential tool for modeling particle systems of different scales and was the primary simulation tool used in this work. For the molecular dynamics simulations, the Grand Canonical ensemble was utilized since the number of particles in our system was not only variable but also the quantity of interest. The interactions between particles were computed using a Lennard-Jones potential with an additional Coulomb pairwise interaction term. The non-reactive force field UFF was used to describe the carbon structure, and TraPPE, a collection of functional forms and interaction parameters, was employed to model the CO2 molecules in our simulations.