Los científicos rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, el Instituto Conjunto para Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia y la Escuela Superior de Economía calcularon en supercomputadoras, sin pasar por experimentos costosos, la viscosidad de un lubricante común bajo presión de hasta 10 mil atmósferas..
Este compuesto, 2, 2, 4-trimetilhexano, es un hidrocarburo líquido y se utiliza, además de lubricantes, como aditivo de combustible y aislante eléctrico. Los resultados de la simulación se presentan en un artículo de la revista Fluid Phase Equilibria. Incluso antes de su publicación, el estudio ocupó el segundo lugar en el X Concurso de simulación de fluidos industriales en los Estados Unidos.
El concurso se lleva a cabo cada uno o dos años por el Instituto Americano de Ingenieros Químicos y la Sociedad Química Estadounidense con la participación de las empresas más grandes de la industria. Se invita a los participantes a predecir teóricamente alguna propiedad de una sustancia de importancia industrial, pero poco estudiada. Esta vez fue necesario predecir cómo cambia la viscosidad del lubricante de referencia (2, 2, 4-trimetilhexano) con un aumento de presión desde la presión atmosférica normal a 10 mil atmósferas y una temperatura constante de 20 grados centígrados.
Los organizadores realizan un experimento y anuncian a los ganadores de aquellos cuyas predicciones estarán más cerca de la realidad. La décima competición finalizó en noviembre. Participaron siete equipos, incluidos los del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., La Universidad Jiaotong de Shanghai y el Imperial College de Londres. Rusia estuvo representada por un equipo de científicos de MIPT, JIHT RAS y HSE.
“Todos los equipos predijeron la viscosidad a ciegas, es decir, sin depender de datos experimentales”, dice el primer autor del estudio, Nikolai Kondratyuk, investigador del Laboratorio de Métodos de Supercomputadoras en Física de la Materia Condensada en MIPT.
- En la convención anual de ingenieros químicos en Pittsburgh, uno de los organizadores de la competencia, Scott Beir, reveló los resultados de su experimento, y resultó que en la precisión de las predicciones, Vasily Pisarev y yo solo estábamos en segundo lugar después del equipo de Universidad Johns Hopkins.
El equipo ruso predijo los valores de viscosidad a presiones de hasta cinco mil atmósferas, lo que coincidió con las mediciones experimentales dentro del error de estas últimas (3%). Con un aumento adicional de la presión, el error del modelo aumenta gradualmente. La simulación por computadora de fluidos industriales es una alternativa importante a la experimentación.
Pocos laboratorios en el mundo pueden permitirse mediciones reales a presiones de hasta 10 mil atmósferas. Mientras tanto, dichos valores se alcanzan, por ejemplo, en cojinetes (Figura 1) y engranajes de turbinas de vapor y motores de aviones. Por lo tanto, la industria necesita datos sobre cómo se comportan los fluidos técnicos en estas condiciones.
“Las empresas se esfuerzan por obtener resultados rápidos clasificando variantes de sustancias no en el laboratorio, sino en simulaciones por ordenador”, explica Kondratyuk. “Esto es especialmente importante en el diseño de lubricantes, donde se están probando cientos de combinaciones de diferentes lubricantes. Es más rentable para los fabricantes no mantener una gran cantidad de científicos, sino recopilar datos sobre el éxito de diferentes modelos en el marco de tales concursos y utilizarlos en los cálculos ".
Incluso una supercomputadora tiene suficientes recursos para simular el comportamiento de moléculas de materia solo durante breves períodos de tiempo, del orden de un microsegundo. Para obtener resultados que sean comparables a los de un experimento real, es necesario extrapolar, es decir, extender la predicción del modelo a un rango más amplio de datos. Esto se puede hacer de dos formas diferentes.
"Al principio, extrapolamos los resultados del método de no equilibrio, como otros equipos", agregó Kondratyuk. - Pero luego probamos el método de equilibrio y resultó que funciona en todo el rango de presión. Al final, lo usamos ". Además de los beneficios para la producción, la validación de modelos es de interés para la ciencia básica. Así, se refina la comprensión de la estructura de la materia y la física de la interacción de sus partículas constituyentes.
El equipo ruso realizó cálculos dentro del modelo de interacción interatómica COMPASS de mil moléculas en las supercomputadoras Desmos y Fisher del Instituto Conjunto para Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia, compradas con una subvención de la Fundación de Ciencias de Rusia.