Estudos de espalhamento de raios X nos processos de intercalação de água da argila expansível montemorilonita : simulação e experimento

Abstract

Neste início de século, com o avanço tecnológico dos computadores e dos métodos computacionais, as simulações moleculares atingiram um nível de sofisticação tal que propriedades estruturais, mecânicas e dinâmicas dos materiais podem ser estudadas de maneira não antes realizada. Associadas a isso, técnicas experimentais, do ponto de vista do seu fundamento teórico, estão sendo utilizadas para sugerir aos pesquisadores experimentais novos procedimentos de observação que podem ser utilizados para averiguar os comportamentos previstos. Do ponto de vistas experimental, com o advento de novas técnicas e métodos químicos mais elaborados, amostras limpas estão sendo obtidas e com isso espera-se que experimentos sugiram simulações. Entretanto, esta relação sinergética simulação-experimento, requer um claro entendimento das escalas temporais e espaciais existente entre os dois regimes. Este trabalho pretende ser um exemplo deste relacionamento. O objeto deste estudo é baseado na argila natural expansível Montemorilonita (MMT), muito explorada não só do ponto de vista experimental como teórico, com a utilização de um campo de força bem estabelecido (CLAYFF). Este trabalho está dividido em duas etapas distintas. Na primeira etapa, simulamos processos de intercalação de água nas CNTP usando o programa Materials Studio e o pacote computacional FORCITE. Foram gerados os espectros por difração de raios X dos resultados das simulações, considerando a amostra um pó perfeito, e a partir daí sugeriu-se comportamentos e regiões do espectro de raios X que poderão ser utilizados experimentalmente para o estudo da dinâmica da intercalação de água neste tipo de argila via amplitudes dos picos de reflexão de alta ordem. Também foi possível sugerir regiões destes espectros que permitem estudar o tamanho e sua polidispersão nas várias direções dos respectivos eixos cristalográficos. Experimentos de raios X utilizando o Difratômetro Bruker do Instituto de Quimica-UnB foram realizados para uma amostra da argila natural Montemorilonita e os resultados são comparados com a simulação. Numa segunda etapa, resultados experimentais do comportamento quadrático do ‘strain’ em função dos estados de hidratação para a argila sintética Fluorohectorita sugeriram estudo semelhante, através da simulação, para a Na-MMT e o resultado indica que o processo de intercalação da água poderia ser uma das causas do comportamento observado. Também, como exercício de pura simulação, estudou-se o comportamento das distâncias interplanares da Na-MMT para as pressões atmosférica (1atm) e abissal (1000 atm) e foi observado que há diferenças pontuais nas características expansivas da argila. Finalmente, procedimentos experimentais utilizando raios X de sincrotron são sugeridos para trabalhos futuros no sentido de tornar quantitativa a comparação dos resultados acima obtidos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Early in this century, with the advance of the computer technology and computational methods, molecular simulations reached a level of sophistication such that structural, mechanical and dynamic properties of materials can be studied in a manner not done before. Associated with this, experimental techniques, from the point of view of its theoretical basis, are being used to suggest to experimental researchers new procedures of observation that can be used to ascertain the expected behaviors. From experimental point of view, with the advent of new techniques and more complex chemical methods, pure samples are being obtained and it is expected that experiments suggest simulations. However, this simulation-experiment synergistic relationship, requires a clear understanding of temporal and spatial scales that exist between the two regimes. This study intends to be an example of this relationship. The object of this study is based on expandable Montmorillonite natural clay (MMT), which is widely exploited by the experimental point of view as well as theoretical, using a well-established forcefield (CLAYFF). This study is divided into two distinct stages. In the first stage, we simulate the process of intercalation of water at NTP using the Materials Studio software and the computational module FORCITE. X-ray spectrum were generated by powder diffraction using the results of simulations process and thereafter behaviors and regions of X-ray spectrum were suggested that may be used experimentally to study the water intercalation dynamics at this type of clay by watching the amplitudes of higher order reflection peaks. Also it was possible to suggest some regions of the spectrum that allow to study the size and their polydispersity in various directions of the respective crystallographic axes. X-ray experiments using the UnB Chemistry Institute’s Bruker diffractometer were performed for a natural clay sample of Montmorillonite and the results were compared with the simulated ones. In the second stage, strains’s experimental results of quadratic behavior as a function of hydration states for the Fluohectorite synthetic clay suggested a similar study by simulation for the Na-MMT and the results indicates that the water intercalation process could be one of the causes of the of the observed behavior. Also, as an exercise of pure simulation, the behavior of interlayer distances of Sodium Montmorillonite (Na-MMT) were studied at room (1 atm) and at abyssal pressures (1000 atm) and it was observed that there are slight differences in swelling characteristics of the clay. Finally, experimental procedures using synchrotron X-ray are suggested for future works in order to make a quantitative comparison of the results obtained above.