[論文レビュー] Enhanced local viscosity around colloidal nanoparticles probed by Equilibrium Molecular Dynamics Simulations

Reza Rabani, Mohammad Hassan Saidi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Nanofluid Flow and Heat Transfer参考文献 126被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、グリーン＝キューブ形式を用いた平衡分子動力学を用いて、銅ナノ粒子周囲の局所的粘性率を計算し、固体-液体相互作用が強い領域（ナノ層：表面からの0–1 nm）で最大12倍の粘性率増大を明らかにした。この増大は密度の上昇のみでは説明できないほど顕著であり、ナノ粒子表面付近に固体に類似した秩序だてられた液体構造が形成されていることが主因であることが示唆される。特に、強い相互作用下ではストークス＝アインシュタイン関係が流体滑り効果により破綻するため、この構造形成が支配的要因となる。

ABSTRACT

Nanofluids; dispersions of nanometer-sized particles in a liquid medium; have been proposed for a wide variety of thermal management applications. It is known that a solid-like nanolayer of liquid of typical thickness 0.5-1 nm surrounding the colloidal nanoparticles can act as a thermal bridge between the nanoparticle and the bulk liquid. Yet, its effect on the nanofluid viscosity has not been elucidated so far. In this article, we compute the local viscosity of the nanolayer using equilibrium molecular dynamics based on the Green-Kubo formula. We first assess the validity of the method to predict the viscosity locally. We apply this methodology to the calculation of the local viscosity in the immediate vicinity of a metallic nanoparticle for a wide range of solid-liquid interaction strength, where a nanolayer of thickness 1 nm is observed as a result of the interaction with the nanoparticle. The viscosity of the nanolayer, which is found to be higher than its corresponding bulk value, is directly dependent on the solid-liquid interaction strength. We discuss the origin of this viscosity enhancement and show that the liquid density increment alone cannot explain the values of the viscosity observed. Rather, we suggest that the solid-like structure of the distribution of the liquid atoms in the vicinity of the nanoparticle contributes to the nanolayer viscosity enhancement. Finally, we observe a failure of the Stokes-Einstein relation between viscosity and diffusion close to the wall, depending on the liquid-solid interaction strength, which we rationalize in terms of hydrodynamic slip.

研究の動機と目的

• コロイドナノ粒子の周囲における局所的粘性率を調査すること。これは熱伝導に影響を与えるとされるが、まだ粘性率の観点から十分に同定されていない領域である。
• 液体がナノ粒子の表面近くにあるような非周期的・不均一系において、グリーン＝キューブ法を用いた粘性率計算の妥当性を評価すること。
• ナノ層における粘性率増大の主な要因が、局所的密度の上昇か、構造的整列かを特定すること。
• ナノ粒子表面付近でストークス＝アインシュタイン関係が破綻する理由を検討し、流体滑り効果と関連付けること。

提案手法

• 銅ナノ粒子の周囲における液体アルゴンの平衡分子動力学（EMD）シミュレーションを、固体-液体相互作用強度（0.25～1.5 kcal/mol）を変化させながら実施した。
• 非周期的境界条件に適合させるために、局所的粘性率の計算にグリーン＝キューブ（GK）形式を適用し、平面内成分のみを用いた。
• 粘性率の径方向分布を、最初の1 nmをナノ層と定義して層ごとの計算を実施し、局所的輸送特性を分離した。
• 平均二乗変位データから拡散係数を抽出し、スリップ長を組み込んだ解析的流体力学モデルにフィットさせ、ストークス＝アインシュタイン行動からの逸脱を説明した。
• 局所的密度と構造的整列の役割を、粘性率増大と径方向密度プロファイルおよび径分布関数を比較することで定量的に評価した。
• 解析的スリップモデル（D|| = D_bulk × [1 − 9σ/(16(x + b − σ))]) をシミュレーションデータにフィットさせ、スリップ長とボトム拡散係数をフィッティングパラメータとして抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ粒子周囲のナノ層における局所的粘性率は、ボトム粘性率をどの程度上回り、固体-液体相互作用強度にどのように依存するか？
• RQ2 液体がナノ粒子表面付近にあるような非周期的・不均一系において、グリーン＝キューブ法を信頼性を持って粘性率計算に適用できるか？
• RQ3 ナノ層における観察された粘性率増大は、主に局所的密度の上昇か、液体原子の構造的整列か？
• RQ4 なぜナノ粒子表面付近でストークス＝アインシュタイン関係が破綻するのか？これは流体滑りとどのように関連しているか？
• RQ5 液体-固体界面におけるスリップ長は相互作用強度にどのように変化するか？また、拡散に与える影響は？

主な発見

• 固体-液体相互作用強度が0.25、0.5、1.0、1.5 kcal/molの各条件下で、ナノ層（ナノ粒子表面からの0–1 nm）における粘性率は、それぞれ1.5倍、2倍、6倍、12倍に増大した。
• 特に強い相互作用下では、局所的密度の上昇のみでは説明できないほど粘性率増大が顕著であり、液体原子の構造的整列による寄与が顕著であることが示された。
• 強い相互作用下では、ナノ層に固体に類似した秩序だてられた構造が形成され、これが粘性率増大の主因であると特定された。
• 強い相互作用下では、壁の摩擦が増加し、流体滑りが減少することでストークス＝アインシュタイン関係が破綻し、スリップ長は相互作用強度の増加に伴い2.51 Åから0.75 Åに減少した。
• 高いスリップ条件下では壁付近の拡散係数が最大50％まで向上し、解析的スリップモデルは径方向の拡散プロファイルをうまく再現した。
• 全相互作用強度においてボトム拡散係数は約3.5 × 10⁻⁹ m²/sでほぼ一定であり、観察された逸脱は体積変化ではなく界面効果に起因することが示された。