[論文レビュー] Effect of controlled corrugation on capillary condensation of colloid-polymer mixtures

Andrea Fortini, Matthias Schmidt|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Phase Equilibria and Thermodynamics参考文献 1被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、モンテカルロシミュレーションを用いて、基板の制御されたラグの影響がコロイド-ポリマー混合系における毛細管凝縮に与える影響を調査した。その結果、ラグの振幅を大きくすることで、主に流体-基板接触面積の増加によって毛細管凝縮が促進されることが判明した。また、修正されたキルビン方程式からの理論的予測は、シミュレーションデータと強く一致した。

ABSTRACT

We investigate with Monte Carlo computer simulations the capillary phase behaviour of model colloid-polymer mixtures confined between a flat wall and a corrugated wall. The corrugation is modelled via a sine wave as a function of one of the in-plane coordinates leading to a depletion attraction between colloids and the corrugated wall that is curvature dependent. We find that for increased amplitude of corrugation the region of the phase diagram where capillary condensation occurs becomes larger. We derive a Kelvin equation for this system and compare its predictions to the simulation results. We find good agreement between theory and simulation indicating that the primary reason for the stronger capillary condensation is an increased contact area between the fluid and the corrugated substrate. On the other hand, the colloid adsorption curves at colloid gas-liquid coexistence show that the increased area is not solely responsible for the stronger capillary condensation. Additionally, we analyse the dimensional crossover from a quasi-2D to a quasi-1D system and find that the transition is characterised by the appearance of a metastable phase.

研究の動機と目的

• 基板のラグがコロイド-ポリマー混合系における毛細管相挙動に与える影響を理解すること。
• 幾何的要因（接触面積の増加など）が、ラグのある系における毛細管凝縮を支配するかどうかを特定すること。
• 曲がった、ラグのある基板を考慮した、閉じた流体系における修正されたキルビン方程式を導出し、検証すること。
• 準2次元から準1次元への次元的クロスオーバーの分析と、その相安定性への影響を調査すること。

提案手法

• 平坦な壁と正弦波状にラグのある壁の間で閉じたコロイド-ポリマー混合系をモデル化するモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 系内の曲率依存性の剥がれ引力を生成するために、平面内座標における正弦波関数としてラグをモデル化した。
• 系の曲率とラグ振幅を考慮した修正されたキルビン方程式を導出した。
• シミュレーションによる毛細管凝縮およびコロイド吸着の結果を、修正されたキルビン方程式からの理論的予測と比較した。
• 系の有効次元性を準2次元から準1次元へ変化させることで、次元的クロスオーバーを分析した。
• 吸着曲線および共存曲線の分析を通じて、次元的遷移中にメタ安定相の出現を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板のラグ振幅を大きくすることで、コロイド-ポリマー混合系における毛細管凝縮の度合いはどのように変化するか？
• RQ2 ラグによって増加する流体-基板接触面積は、毛細管凝縮の強化をどの程度説明できるか？
• RQ3 修正されたキルビン方程式は、シミュレーションデータと比較して、ラグのある系における毛細管凝縮を正確に予測できるか？
• RQ4 系の準2次元から準1次元への次元的クロスオーバーは、相挙動および安定性にどのように影響するか？
• RQ5 メタ安定相は、異なる次元的閉じ込め状態の間の遷移において、どのような役割を果たすか？

主な発見

• ラグ振幅の増加により、毛細管凝縮が発生する相図領域が拡大する。
• 本研究で導出した修正キルビン方程式は、シミュレーション結果と良好な定量的一致を示し、その予測能力が検証された。
• 強化された毛細管凝縮は、主に流体とラグのある基板との間の接触面積の増加に起因する。
• 接触面積の増加にもかかわらず、コロイド吸着データから、幾何的要因以外の寄与が存在することが示唆され、凝縮強化に非幾何的効果が関与している可能性が示された。
• 準2次元から準1次元への次元的クロスオーバーに伴い、相図にメタ安定相が出現する。
• 遷移は、相共存挙動のシフトを特徴としており、有効な界面および閉じ込め効果に顕著な変化が生じていることを示している。