Molekulardynamiksimulation nanoskaliger Vorgänge

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Regina Siegel
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1 Institut für Verfahrenstechnik Molekulardynamiksimulation nanoskaliger Vorgänge Institutsseminar, 10. Juni 2009 M. Horsch, M. Heitzig und J. Vrabec SFB 716

2 Vortragsgliederung Modellierung unpolarer Fluide in Kohlenstoff-Nanokanälen Strömungssimulation im kanonischen Ensemble Simulation im großkanonischen Ensemble Untersuchung nanoskaliger Oberflächeneffekte

3 Nanoskalige Oberflächeneffekte γσ 2 /ε 0,6 T = 0,65 ε 0,4 T = 0,80 ε 0,2 Frenz et al. (2009) Christopher et al. (2009) n

High performance computing cacau XC 6000

10 5 ms2 (kleine Teilchenzahlen) cacau XC

4 High performance computing cacau XC ls1 (Projektszenario) Speedup ms2 (kleine Teilchenzahlen) cacau XC Prozesse Spee edup Prozesse ohne Rücksicht auf Geometrie mit Rücksicht auf Geometrie

alt Reskalierte Potentialparameter: Ausblendung Anziehung Abstoßung 1,35 1,40 1,45 1,50 Abstand

5 Molekulares Modell für Graphit Tersoff-Potential: u = c r )[ Aexp( r ) b ( r, r, ) Bexp( r )] ij ( ij ij ij ik jk ijk ij Bindungslänge: Tersoff-Potential: 1,461 Å Realer Wert: 1,421 Å RDF neu alt Reskalierte Potentialparameter: Ausblendung Anziehung Abstoßung 1,35 1,40 1,45 1,50 Abstand in Å R = 2,0 Å (1,8 Å) S = 2,35 Å (2,1 Å) µ = 2,275 Å -1 (2,2119 Å -1 ) λ = 3,587 Å -1 (3,4879 Å -1 )

6 Graphitmodell: interaktive Präsentation

7 Fluid-Wand-Wechselwirkung ( ) = ε ( σ σ ) u r r r LJ 4 ( ) = ( ) ( ) u r u r u σ LJTS LJ LJ 2,5 Tersoff LJTS LJTS lokale Dichte des Fluids in mol/l T = 0,95 ε und ρ = 1,005 ρ W = 0,075 d = 1 W = 0,160 d = 1 W = 0,353 d = 0,95 W = 0,497 d = 0,96 σ FW ε = Wε = dσ FF FW FF 0 Wang Kalra y-koordinate in nm

8 Konfiguration für die MD-Simulationen z z Poiseuille-Strömung: Fluid wird in z-richtung beschleunigt Couette-Strömung: Eine Wand wird in z-richtung beschleunigt -z Kontaktwinkel: Meniskus zwischen den Wänden

9 Konfiguration für die MD-Simulationen z Poiseuille-Strömung: Fluid wird in z-richtung beschleunigt Couette-Strömung: Eine Wand wird in z-richtung beschleunigt -z Kontaktwinkel: Meniskus zwischen den Wänden

10 Strömungssimulation: interaktive Präsentation

11 Resultierende Strömungsprofile

12 Einfluss des Kanaldurchmessers

13 Simulation im großkanonischen Ensemble Grand canonical molecular dynamics (GCMD) nach Cielinski: Vorgabe von, V und T Testweise Einsetzung und Löschung von Teilchen abwechselnd mit kanonischen MD-Schritten: P ins [ ( )] U = max 1, exp [ ( )] U P = max 1, exp T ins del T del Beispiel: durch einen -Gradienten induzierte Strömung max min

14 GCMD-Simulation: interaktive Präsentation

aufgehängte Federn vl ls Poiseuille-Strömung: Fluid wird in z-richtung beschleunigt

15 Konfiguration für die MD-Simulationen Gleichgewichtszustand: Meniskus ist ein Kreissegment Young-Gleichung: cos = Verwendetes Wandmodell: vs An festen Koordinaten aufgehängte Federn vl ls Poiseuille-Strömung: Fluid wird in z-richtung beschleunigt Couette-Strömung: Eine Wand wird in z-richtung beschleunigt Kontaktwinkel: Meniskus zwischen den Wänden

16 Kontaktwinkel: interaktive Präsentation

17 Einfluss von W auf den Kontaktwinkel T = 0,73 ε T = 0,88 ε Abstand von der Wand in σ W = 0,07 W = 0,1 W = 0,13 W = 0, z-koordinate in σ

18 Symmetrie des Kontaktwinkels Kosinus des Kon ntaktwinkels 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Graphit und LJTS-Methan mit d = 1 0,05 0,10 0,15 reduzierte Dispersionsenergie W 1 ε 0,88 ε 0,73 ε ( T, E W ) = cos ( T, E W ) cos +

19 Nukleation: interaktive Präsentation

20 MD-Simulation homogener Nukleation Freie Bildungsenthalpie eines Tropfens in einem übersättigten Dampf: ( liq ) G = + Für die kritische Größe * ist G maximal. Oberflächenenergie Klassische Nukleationstheorie: = A( ) 0 da J [m -3 s -1 ] Nukleation von CO K 269 K K 285 K = liq = s A( ) p [kpa]

21 Heterogene Nukleation: interaktive Präsentation LJTS-Fluid: T = 0,9 und = 0,0626 / ³ Nukleationsrate im homogenen System: J hom = 2,0 10 m 4 Im MD-Simulationslauf detektierbare Raten: J > 10 m 4

22 Innovative HPC-Methoden und Einsatz für hochskalierbare Molekulare Simulation (IMEMO) Projektlaufzeit: Oktober 2008 Dezember 2011 Projektpartner: Industriepartner:

23 Zusammenfassung Massiv-parallele MD-Simulation erlaubt Extrapolation von der Nanometer- auf die Mikrometerskala. Strömungen durch Nanokanäle können im NVT-Ensemble durch eine gleichförmig wirkende Krafteinwirkung, im abschnittsweisen µvt-ensemble auch durch einen Gradienten des chemischen Potentials simuliert werden. Die dispersive Wechselwirkungsenergie zwischen Fluid und Festkörper lässt sich durch Kontaktwinkelmessungen bestimmen. Nanoskalige Oberflächeneffekte beeinflussen die Nukleation in übersättigten Dämpfen maßgeblich.

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