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ATOMS Annual Workshop

The ATOMS laboratory (Applied Thermodynamics and Molecular Simulation), member of School of Chemistry (EQ-UFRJ) and the Chemical Engineering Program of COPPE (PEQ-COPPE-UFRJ), will hold its annual workshop, with the purpose of showing the scientific researches carried out in the Laboratory in 2017 and the new projects that will be developed in 2018.


ATOMS Seminar: Parafinas e Asfaltenos - as dificuldades e benefícios da interação empresa/universidade

Felipe Fleming
Químico de Petróleo
Petrobras - Cenpes

Toda indústria moderna depende do domínio da tecnologia que utiliza para se tornar mais rentável e competitiva. A indústria do petróleo, mais além, depende também do constante desenvolvimento de tecnologias para superar os desafios que se apresentam em novos campos, ou até mesmo em novas condições operacionais de campos antigos. Para tal, a parceria com universidades torna-se central canal de desenvolvimento de tecnologia e troca de conhecimento. No entanto, problemas de linguagem, objetivos, prioridades e até vocação tornam-se obstáculos no caminho da eficiência da colaboração. Pretende-se, então, apresentar a experiência do grupo nessa interface e se propor melhorias no processo para aumentar sua eficiência.


ATOMS Seminar: Development of the thermodynamically consistent 2016H66 GROMOS-compatible force field

Prof. Bruno Araujo Cautiero Horta
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Instituto de Química - Departamento de Química Orgânica
DQO/IQ/UFRJ

The GROMOS force field is one of the widely used force fields for condensed-phase simulations.It has been applied to a variety of systems including molecular liquids, solvated biomolecules, crystals, membrane bilayers, polymers among others. The philosophy underlying the development and improvements of this force field encompasses a simple functional form, a minimal number of atom types and a parametrization focusing on primary experimental data instead of derived data. The pure-liquid and solvation properties of small organic molecules have played a central role in the parametrization of the recent versions of the GROMOS force field. An assumption of transferability has been invoked to justify the use of parameters calibrated in this context for chemically similar fragments within larger molecules, e.g. biomolecules. Recently, we have shown that the calibration of the non-bonded parameters towards the reproduction of simultaneously liquid properties (density and heat of vaporization) and solvation free energies in polar and apolar environments is possible and leads to a more consistent force field, able to reproduce not only the target properties for a vast range of compounds, but also other thermodynamic and dynamic properties within an acceptable error. This presentation will cover the following aspects: (i) a brief historical background of the GROMOS force field and its improvements; (ii) our motivation to reparametrize the non-bonded interactions; (iii) the parametrization strategy employed; (iv) the results obtained with the new parameter set; (v) the application to systems of technological interest.


ATOMS Seminar: Campos de Força Específicos, Construção e Aplicações

Prof. Marco Antonio Chaer do Nascimento
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Instituto de Química - Departamento de Físico-Química
DFQ/IQ/UFRJ

O laboratório ATOMS convida para o seminário o Professor Marco Antonio Chaer do Nascimento. Professor Titular de Físico-Química do Instituto de Química da UFRJ, o Professor Chaer é Membro Titular da Academia Brasileira de Ciências e já foi agraciado com diversos prêmios e honras, entre eles a Medalha Walter Baptist Mors e a Medalha Simão Mathias da Sociedade Brasileira de Química. Suas principais linhas de pesquisa dentro da área de Modelagem Molecular abrangem: catálise heterogênea, mecanismo de enovelamento de proteínas, desenho de inibidores de proteínas, desenho de materiais com propriedades óticas não-lineares e desenvolvimento de campos de força para metais, polímeros e argilas.


ATOMS Seminar: Equations of State in Three Centuries - What have we learned? What more needs to be done?

Prof. Georgios M. Kontogeorgis
Technical University of Denmark
Department of Chemical and Biochemical Engineering
Center for Energy Resources Engineering (CERE), Kgs
Lyngby, Denmark

140 years have elapsed since van der Waals proposed his now famous equation of state (EoS) which bears his name. During the first 100 years since van der Waals, research and applications were dominated by the cubic EoS, of which the most well-known are the Soave-Redlich-Kwong and Peng-Robinson ones. During the 80's and 90's were some of the most important improvements in this context the development of the advanced EoS/GE mixing rules (Huron-Vidal, MHV2, PSRK, Wong-Sandler, LCVM,...), where explicit activity coefficient models are implemented in the cubic equation of state via advanced mixing rules. Cubic EoS either with the classical or with the EoS/GE mixing rules have found widespread industrial applications in the petroleum and chemical industries.

In parallel, non-cubic equations of state were already available in the 70's and 80's, many developed based on chemical, quasi-chemical (lattice) or perturbation theories; for a review see the recent textbooks. The degree of sophistication of these models is high, as are the expectations about their performance! Only if clearly better than cubic EoS could these advanced models be adopted for practical applications. A major breakthrough came in the late 80's with the advent of the SAFT theory (Statistical Associating Fluid Theory), which has resulted by now in a large number of variants. Differences between the various SAFT variants are not always clear, from the practical-application point of view. Nevertheless, SAFT models have by now been applied to a wide range of systems, ranging from those of interest to oil & gas and chemicals up to pharmaceuticals, electrolytes and polymers. Their applications are not restricted to phase equilibria and include other properties as well (e.g. derivative and thermal ones) as well as interfacial & adsorption phenomena.

Following a short introduction on the history of equations of state during the last three centuries, the main purpose of this lecture is to address the following questions:


ATOMS Seminar: Termodinámica de Fluidos desde Córdoba y perspectivas de colaboración com el grupo ATOMS

Martín Cismondi Duarte
Professor Associado de Engenharia Química
Investigador Adjunto (PLAPIQUI - CONICET)
Universidade Nacional de Córdoba - Argentina

Esse seminário pretende mostrar as linhas atuais de pesquisa do grupo ao que pertenço na Argentina (IDTQ, Córdoba), focando no modelado de misturas de alcanos e software desenvolvido. Estou na UFRJ como pesquisador convidado em um projeto Petrobras. Assim, através do seminário espero ampliar minha interação com o grupo todo e a partir das discussões que surgirem poder definir futuros seminários para o próximo ano.


Thesis Defense: Multiphase Flash Calculation with Simultaneous Stability Analysis Including Hydrates

Iuri Soter Viana Segtovich
TPQB / EQ / UFRJ

ATOMS Seminar: Teorias do contínuo para mudanças de forma em géis poliméricos

Fernando Pereira Duda
Programa de Engenharia Mecânica
COPPE/UFRJ

Um gel, entendido como uma rede polimérica reticulada embebida em um solvente, responde a ações externas mudando a sua forma e sua composição através dos processos de deformação da rede e permeação do solvente. Estes processos são acoplados entre si devido a deformação induzida pelo solvente (intumescimento) e, adicionalmente, podem sofrer a influência de efeitos mecânicos, térmicos, químicos, elétricos, e magnéticos, entre outros. Essas características do comportamento de géis poliméricos devem ser ponderadas durante o desenvolvimento/seleção de qualquer teoria. Neste seminário serão abordados os seguintes pontos relacionados com teorias do contínuo para interação entre mudanças de forma e composição em géis poliméricos: i) desafios, desenvolvimentos recentes e novas ideias; ii) aplicações no estudo da geração e controle de forma em géis naturais e sintéticos.


Thesis Defense: Dynamics of Ions in Solution: Size and Electrostatic Correlation Effects

Pedro Henrique Rodrigues Alijó
PEQ / COPPE / UFRJ

Qualifying Exam: Determinação Experimental e via Simulação Molecular em Não Equilíbrio dos coeficientes de termodifusão de misturas

Filipe Arantes Furtado
PEQ / COPPE / UFRJ

ATOMS Seminar: Biomateriais e Biomineralização: Pesquisa Fundamental e Aplicações Biomédicas

André Linhares Rossi
Programa de Ciências Morfológicas - PCM/UFRJ
Pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - CBPF

A bioengenharia de tecido ósseo busca otimizar em tempo e espaço a regeneração do osso, buscando criar condições ideais para o reparo e a substituição de tecidos lesados. Os fosfatos de cálcio são comumente usados como implantes ósseos por serem biocompatíveis e osteocondutores. Neste seminário, serão apresentados estudos sobre a nanoestrutura de biomateriais de fosfato de cálcio usando a técnica de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) de alta resolução. Três temas serão abordados: 1) interface material/osso; 2) Efeito do estrôncio na parte mineral do osso; 3) processo de formação de filmes finos de fosfato de cálcio por magnetron sputtering. Além disso, o palestrante fará uma breve exposição sobre os potenciais do MET para a caracterização de materiais na escala nanométrica.


ATOMS Seminar: Use of hydroxylapatite-based sorbents for mercury removal from natural gas: a focus on the Hg stabilization

Carla Manske Camargo
PEQ / COPPE / UFRJ

Mercury is a toxic and bioaccumulative global pollutant. The standards of its control are increasingly restrictive motivating the development of new removal technologies. Adsorption process is an important process to mercury capture from gaseous streams with low Hg0 concentrations, for example natural gas. Beyond of the hazards related to the mercury exposure, Hg0 is also associated with serious failures on natural gas plants by corrosion of equipments and structures. In the present study, hydroxylapatite-based sorbents modified with metal sulfides were tested as sorbents with both high mercury affinity and stabilization capacity. These characteristics were investigated in dynamic and static Hg0 adsorption, lixiviation, and thermal stability tests. In the mathematical modeling approach, a chemical Hg fixation term was added to classic fixed-bed adsorption models. The chemical reaction mechanism for mercury fixation was supported by X-Ray Diffraction results. The experimental results have proven the mercury stabilization capacity of tested sorbents even under severe conditions of temperature and pH. The proposed mathematical model, with its optimized parameters, was used to study the dynamic behavior of a fixed bed adsorption process at different simulated operational conditions. Simulation results show that the chemical fixation of mercury inside the solid matrix leads to an increase of mercury removal capacity and reduces the risk of mercury re-emission after used sorbent disposal.


ATOMS Seminar: Fotovoltaicos orgânicos: desafios na simulação dos estados excitados de poliparafenilenovinilenos (PPV)

Prof. Thiago Cardozo
Departamento de Fisico-Química
Instituto de Química - UFRJ

A busca por fontes alternativas de energia tem se intensificado devido às preocupações crescentes com o volume de gases estufa gerados pela sociedade. Os fotovoltaicos orgânicos têm recebido atenção especial por seu potencial baixo custo e relativa facilidade de customização e produção. A eficiência de fotovoltaicos orgânicos é ainda baixa, e vários mecanismos de perda de energia nesses sistemas ainda não foram elucidados.

Estudos teóricos desses sistemas esbarram em obstáculos associados à necessidade de modelos de alto nível para a descrição dos estados excitados envolvidos no processo de geração de eletricidade após absorção de luz e do tamanho dos sistemas de interesse, que tornam o uso de tais modelos proibitivo do ponto de vista computacional.

Nessa apresentação, alguns resultados referentes à modelagem de estados excitados de oligômeros de PPV serão discutidos, bem como as suas consequências para a compreensão desses sistemas e os desafios restantes.


Qualifying Exam: Molecular Simulation of Rigid Molecules Aiming at Improving the COSMO-SAC Model

Jéssica Caroline da Silva Linhares Maciel
PEQ / COPPE / UFRJ

ATOMS Seminar: Molecular Structures in Petroleum Fluids mad Petroleum Fluid-Rock Systems in Relation to Efficient Hydrocarbon Production and Recovery

Professor Abbas Firoozabadi
RERI and Yale University

Molecules in petroleum fluids and in petroleum fluid-rock systems aggregate. The inhomogeneity and aggregation of different molecules have profound effect on hydrocarbon energy production and on improved recovery. The changes in the fluid structures can often realize by addition of small amounts of functionalized molecules resulting in drastic efficiency and safety of hydrocarbon energy production. Improved oil and gas recovery can be achieved by changes in fluid structure and rock surfaces using small amounts of surfactants and ionic liquids. We need to design these functionalized molecules for specific needs. Our models may account for quantum effects to atomistic level considerations.

This presentation will be divided into two parts. In the first part of the presentation I will discuss some of flow assurance issues from asphaltenes and hydrates, effect of change of salt concentration on oil recovery, oils that can mix with water, and phase behavior in shale nano-pores and some of our recent experimental research on these topics. In the second part of the presentation my focus will be on molecular thermodynamic modeling and molecular simulations that can shed light on the understanding of the mechanisms and the need for combining both classical thermodynamic concepts and molecular modeling to speed up computations drastically. There are many challenges to overcome but the opportunities are enormous.