Difusão em meios confinados: Modelagem e simulação baseada em Langevin usando o motor gráfico Unity3D
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Data
2020-04-10
Autores
Silva, Rafael Model
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Resumo
O crescimento de aplicações de transporte de partículas através de canais tem atraído muita atenção nos últimos anos, dando origem a diversos trabalhos os quais exploram diferentes formas de confinamento dentro de geometrias irregulares. A notoriedade desse fenômeno impõe uma diversidade de estudos em processos estocásticos relacionados a geometrias de confinamento, os quais utilizam métodos numéricos, barreiras entrópicas, dentre outras abordagens.
O presente trabalho tem por objetivo analisar fenômenos de difusão a partir de uma ferramenta diferenciada, o Unity3D; um motor gráfico (game engine) voltado para o desenvolvimento de jogos, o qual possui funcionalidades que permitem modelagens e simulações em ambientes complexos. O Unity3 apresenta ainda compatibilidade com softwares de terceiros, possibilitando ainda a importação de geometrias mais realistas e intrincadas a partir de programas de modelagem 3D, como, por ex., o Blender.
Nesse sentido, realizamos diversas simulações com partículas brownianas de tamanho finito em meio a um fluido, descritas a partir do modelo de Langevin. Essas simulações se estendem desde casos simples, como partículas não interagentes e na ausência de potencial externo, até um conjunto de partículas interagentes inseridas em um canal periódico tridimensional sobre a influência de um potencial externo.
Este trabalho pode ser dividido em duas partes principais: o primeiro diz respeito à análise do regime difusivo a partir do modelo de Langevin, considerando partículas livres e partículas confinadas em uma caixa cúbica e um canal senoidal bidimensional. O segundo corresponde às análises referentes à pressão dentro de um ambiente confinado por uma caixa cúbica e um canal senoidal tridimensional.
Os resultados estão de acordo com a literatura e demonstram a robustez do emprego de motores gráficos para simulações de sistemas difusivos. Além disso, são analisadas as alterações nas propriedades de transporte devido aos efeitos de confinamento e temperatura cinética que resultam em regimes de difusão anômala.
Theincreaseofapplicationsofdiffusivetransportofparticlesthroughnarrowschannels has received considerable attention in recent years and has given rise to several works that deal with different confinement within irregular geometries. The notoriety of this phenomenon imposes a diversity of studies on stochastic processes related to confinement geometries, which use numerical methods, entropic barriers, among other approaches. This work aims to analyze diffusion phenomena from a useful and differentiated tool, the Unity3D; a game engine focused on the development of games, which has a set of features that allow modeling and simulations in complex environments. The Unity3D also features compatibility with third-party software, making it possible to import more realistic and intricate geometries from 3D modeling software, e.g., Blender. In this sense, we performed several simulations on finite-sized Brownian particles immersed in a fluid medium, which can be described by Langevin formalism. These simulations extend from simple cases, such as non-interacting particles in the absence of an external potential, up to a set of interacting particles inserted in a three-dimensional periodic channel on the influence of an external potential. We can separate this work into two main parts: The first concerns the analysis of the diffusive regime based on the Langevin model, considering free particles and particles confinedinacubicboxandatwo-dimensionalsinusoidalchannel. Thesecondcorresponds to the analyses related to pressure in a system confined by a cubic box and a threedimensional sinusoidal channel. The results are in accordance with the literature and show the robustness of the use of game engines for simulations of diffusive systems. In addition, we analyze changes in transport properties due to the effects of confinement and kinetic temperature that result in anomalous diffusion regimes.
Theincreaseofapplicationsofdiffusivetransportofparticlesthroughnarrowschannels has received considerable attention in recent years and has given rise to several works that deal with different confinement within irregular geometries. The notoriety of this phenomenon imposes a diversity of studies on stochastic processes related to confinement geometries, which use numerical methods, entropic barriers, among other approaches. This work aims to analyze diffusion phenomena from a useful and differentiated tool, the Unity3D; a game engine focused on the development of games, which has a set of features that allow modeling and simulations in complex environments. The Unity3D also features compatibility with third-party software, making it possible to import more realistic and intricate geometries from 3D modeling software, e.g., Blender. In this sense, we performed several simulations on finite-sized Brownian particles immersed in a fluid medium, which can be described by Langevin formalism. These simulations extend from simple cases, such as non-interacting particles in the absence of an external potential, up to a set of interacting particles inserted in a three-dimensional periodic channel on the influence of an external potential. We can separate this work into two main parts: The first concerns the analysis of the diffusive regime based on the Langevin model, considering free particles and particles confinedinacubicboxandatwo-dimensionalsinusoidalchannel. Thesecondcorresponds to the analyses related to pressure in a system confined by a cubic box and a threedimensional sinusoidal channel. The results are in accordance with the literature and show the robustness of the use of game engines for simulations of diffusive systems. In addition, we analyze changes in transport properties due to the effects of confinement and kinetic temperature that result in anomalous diffusion regimes.
Abstract
Descrição
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da
Integração Latino-Americana como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Física Aplicada. Orientador Prof. Dr. Luciano Calheiros Lapas
Palavras-chave
Processos de difusão - simulação, Simulação - Unity3D, Difusão - meios irregulares, Simulação de processos de difusão, Fenômeno - transportes
Citação
SILVA, Rafael Model. Difusão em meios confinados: Modelagem e simulação baseada em Langevin usando o motor gráfico Unity3D. 2020. 101 p. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós-graduação em Física Aplicada) - Universidade Federal da Integração Latino-Americana (UNILA), Foz do Iguaçu, 2020.