Idrodinamica da principi primi
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caspur.it
L'obiettivo della ricerca avviata dal CASPUR è quello di studiare i fenomeni idrodinamici che avvengono alla scala nanoscopica. A questo livello i modelli classici del continuo, basati su leggi fenomenologiche e ipotesi aprioristiche, spesso falliscono. Con le simulazioni atomistiche è possibile eliminare queste possibili fonti di errore, ottenendo risultati aventi valore predittivo.
Lo studio dell'idrodinamica con un approccio da principi primi consiste nel descrivere il mezzo studiato (ad esempio, un liquido) attraverso una rappresentazione atomistica (o molecolare), invece che come un mezzo continuo. Questo approccio, molto impegnativo da un punto di vista computazionale, permette di evitare il ricorso a leggi fenomenologiche nella descrizione delle caratteristiche del sistema studiato (leggi costitutive) e ipotesi aprioristiche sul suo comportamento (come le no-slip boundary conditions).
Le sfide in questa ricerca sono di natura sia teorica che metodologica, prima che di carattere applicativo. Dal punto di vista teorico, è necessario mappare il linguaggio dell'idrodinamica su quello della meccanica statistica. Dal punto di vista metodologico, è neccessario sviluppare metodi che permettano di studiare fenomeni che accadono su scale dei tempi inaccessibili a simulazioni di "forza bruta".
Per quanto riguarda la prima sfida, il gruppo di esperti CASPUR:
- ha contribuito alla formulazione dell'idrodinamica come media di ensemble su una densità di probabilità condizionale dipendente dal tempo. La condizione è il valore al tempo t=0 di determinati campi, quelli che definirebbero le condizioni iniziali nelle teorie macroscopiche;
- ha contribuito allo sviluppo di tecniche di dinamica molecolare di non equilibrio per il campionamento della densità di probabilità condizionale, dipendente dal tempo citata sopra.
Per quanto riguarda la seconda sfida, il Gruppo di lavoro CASPUR ha adattato tecniche per lo studio di eventi rari, tipiche della simulazione di sistemi molecolari, al caso di fenomeni idrodinamici.
Questi metodi sono stati applicati allo studio di processi quali:
- il rilassamento dell'interfaccia tra due liquidi immiscibili confinati in un box di dimensioni nanoscopiche;
- la transizione Cassie-Baxter/Wenzel di un liquido contenuto tra sue superfici piane, nanocorrugate.