Исследование взаимодействия нанопузырьков с твердой поверхностью методом молекулярной динамики

• Автор: Моисеева, Елена Флоридовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Современное состояние исследований

1.1. Обзор работ, посвященных экспериментальным и численным исследованиям поверхностных нанопузырьков

1.2. Численное исследование течения в наноканалах методами молекулярной динамики

1.3. Исследование гистерезиса краевого угла смачивания

1.4. Выводы по главе

2. Моделирование многокомпонентных систем методом молекулярной динамики

2.1. Математическая модель

2.1.1. Интегрирование уравнений движения Ньютона

2.1.2. Расчет макроскопических свойств системы методами молекулярной динамики

2.2. Моделирование систем в контакте с тепловой ванной—термостатом
2.3. Потенциал Леннард—Джонса
2.4. Ускорение молекулярно—динамических расчетов
2.4.1. Алгоритмическое ускорение. Структура данных
2.4.2. Аппаратное ускорение при помощи графических процессоров
2.4.3. Применение ОРИ и структуры данных для моделирования методами молекулярной динамики
2.4.4. Результаты ускорения

2.5. Выводы по главе
3. Тестирование программного кода
3.1. Парожидкостное равновесие в аргоне
3.2. Поверхностное натяжение
3.3. Локальное давление
3.4. Выводы по главе
4. Исследование контактного угла поверхностного нанопузырька
4.1. Постановка задачи
4.2. Расчет контактного угла и объема нанопузырька
4.3. Динамика контактного угла нанопузырька для подложек с различной степенью смачиваемости
4.4. Выводы по главе
5. Моделирование динамики поверхностного нанопузырька
в потоке жидкости
5.1. Моделирование ламинарного течения жидкого аргона в наноканале методом молекулярной динамики
5.2. Поверхностные нанопузырьки в потоке жидкости
5.3. Динамика частицы, расположенной на твердой неподвижной подложке, под действием поверхностного нанопузырька
5.4. Выводы по главе
Заключение
Литература

Введение
Нанопузырьки, возникающие в жидкости на границе с твердой гидрофобной поверхностью, играют важную роль в различных физических явлениях. В гидромеханике присутствие нанопузырьков оказывает влияние на поведение жидкого потока на границе с твердой поверхностью, в биомедицине может влиять на адсорбцию и снижение активности биомолекул. В инженерии нанопузырьки используются для создания микроустройств и наноструктур. Несмотря на то, что в последнее время поверхностным нанопузырькам уделяется большое внимание, до сих пор существование их, как спонтанно образующихся стабильных доменов, не установлено однозначно, и часто оспаривается в литературе по ряду причин. Характерные размеры ианопузырьков на гидрофобной поверхности составляют 100 нм в ширину и 10—20 нм в высоту. Так как в большинстве случаев радиус кривизны нанопузырька не превышает 1 мкм, время его растворения должно составлять порядка 1 мкс. Однако время существования нанопузырьков может достигать 5 суток. Несмотря на все термодинамические обоснования невозможности существования стабильных поверхностных нанопузырьков, возникающих при контакте воды с гидрофобной поверхностью, многие экспериментальные исследования подтвердили их существование.
В настоящее время наиболее эффективным методом для изучения поверхностных нанопузырьков является моделирование методами молекулярной динамики (МД). Такой подход позволяет изучать объекты, размеры которых не превышают сотни нанометров, в то время как другие методы исследования на таких масштабах зачастую не дают достоверного результата. Континуальные модели не способны описать процессы, происходящие в нано-масштабах, а экспериментальные методы исследования

Изменение температуры между временными шагами в данном случае будет равно:
На практике т используется как параметр для поддержания прочности связи. При г оо термостат Берендсена не активен и система существует согласно микроканоническому ансамблю. Флуктуации температуры будут расти, пока не достигнут определённого значения, соответствующего каноническому ансамблю. С другой стороны, очень маленькие значения т вызовут нереалистично низкие флуктуации температуры. Если т выбрать равным временному шагу АЬ, термостат будет представлять собой ни что иное, как масштабирование скорости. Значения т « 0.1 пс обычно используется в МД-моделировании конденсированных систем [8,9].
Термостат Нозе—Гувера
Данный метод, генерирующий распределение канонического ансамбля частиц в конфигурационном и импульсном фазовых пространствах, известный под названием метода расширенной системы, предложен Нозе [78], [79], [80] и Гувером [53]. Согласно этому методу, моделируемая система соединяется с тепловой ванной, образуя при этом сложную систему, в которой по-прежнему выполняется условие сохранения кинетической энергии, однако допускаются флуктуации полной энергии моделируемой системы.
Суть данного метода заключается в том, что термостат становится неотъемлемой частью системы путём введения искусственной переменной 5, связанной с «массой» С? > 0, а так же путём введения скорости 5. Величина <5 определяет силу связи между тепловым резервуаром и реальной системой, следовательно, оказывает влияние на флуктуации температуры.
дг = Т(Г0 - Г(0),
следовательно, масштабирующий коэффициент равен: