[論文レビュー] Interfacial thermal conductance between TiO2 nanoparticle and water: A molecular dynamics study

Mahdi Roodbari, Mohsen Abbasi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2021

Thermal properties of materials参考文献 55被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、一時的非平衡分子動力学（TNEMD）を用いて、TiO2ナノ粒子と水の界面における熱伝導率を調査した。その結果、金やグラフェンなどの従来のナノ粒子と比較して、10倍高い値が得られた。この増大した伝導率の主な要因は、TiO2中の電荷を帯びたTiおよびO原子と水分子との強い静電的相互作用であり、これは、ファンデルワールス力支配の系と比較して、熱的緩和時間が顕著に短くなることによる。

ABSTRACT

The interfacial thermal conductance (Kapitza conductance) between a TiO2 nanoparticle and water is investigated using transient non-equilibrium molecular dynamics. It is found that Kapitza conductance of TiO2 nanoparticles is one order of magnitude greater than other conventional nanoparticles such as gold, silver, silicon, platinum and also carbon nanotubes and graphene flakes. This difference can be explained by comparing the contribution of electrostatic interactions between the partially charged titanium and oxygen atoms and water atoms to the van der Waals interactions, which increases the cooling time by about 10 times. The effects of diameter and temperature of nanoparticle, surface wettability on the interfacial thermal conductance are also investigated. The results showed that by increasing the diameter of the nanoparticle from 4 to 9 nm, Kapitza conductance decreased slightly. Also, increasing the temperature of the heated nanoparticle from 400 K to 600 K led to thermal conductance enhancement. It has been found that increasing the coupling strength of Lennard-Jones (LJ) potential from 0.5 to 4 caused the increment of the Kapitza conductance about 20%. It is also shown that a continuum model which its input is provided by molecular dynamics can be a suitable approximation to describe the thermal relaxation of a nanoparticle in a liquid medium.

研究の動機と目的

• TiO2ナノ粒子と水の界面における原子スケールでの熱伝導率を調査すること。
• ナノ粒子の直径（4–9 nm）、温度（400–600 K）、表面の親水性、およびクーロン相互作用が熱伝導率に与える影響を特定すること。
• 固体-液体界面における熱伝達を向上させる要因としての静電的力とファンデルワールス力の相対的役割を評価すること。
• 分子動力学の結果を用いて、連続体熱伝導モデルによる熱的緩和時間の予測を比較すること。
• 連続体モデルが液体媒体中でのナノ粒子冷却ダイナミクスを近似する際に有効であるかどうかを評価すること。

提案手法

• TiO2ナノ粒子と水の界面における熱伝導率を計算するために、一時的非平衡分子動力学（TNEMD）が用いられた。
• 水分子間力の記述に、Lennard-Jonesおよびクーロン力に基づくTIP4P/2005水モデルが採用された。
• LAMMPSを用いて、ナノ粒子の直径が4から9 nmの範囲で変動する大規模な分子動力学シミュレーションが実施された。
• 連続体モデルでは、有限体積法（FVM）を用いて一時的熱伝導方程式を解き、MDから得られた入力（界面熱伝導率および熱的性質）が使用された。
• 連続体モデルは静的流体を仮定したが、MDシミュレーションでは水分子の対流（advection）を考慮しており、冷却ダイナミクスの比較が可能となった。
• ナノ粒子温度、直径、およびLennard-Jonesポテンシャルの強度に対する感度分析が実施され、それらが熱伝導率に与える影響が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiO2ナノ粒子の界面熱伝導率は、水中における金、銀、カーボンナノチューブなどの一般的なナノ粒子と比較してどう異なるか？
• RQ2 ナノ粒子の直径（4–9 nm）および温度（400–600 K）が界面熱伝導率に与える影響は何か？
• RQ3 TiO2と水分子の間の静電的（クーロン）相互作用が、ファンデルワールス力と比較して熱伝導率に与える影響は何か？
• RQ4 水分子の運動（対流）を含めることで、加熱されたナノ粒子の熱的緩和時間にどの程度の影響が生じるか？
• RQ5 MDシミュレーションで得られたデータを用いた連続体熱伝導モデルは、水中でのナノ粒子の熱的緩和を正確に予測できるか？

主な発見

• 4 nmのナノ粒子に対して、TiO2と水の界面熱伝導率は約1682 MW/m²Kであり、金（215 MW/m²K）、銀（460 MW/m²K）、プラチナ、シリコン、カーボンナノチューブと比較して1桁高い値を示した。
• ナノ粒子の直径を4 nmから9 nmに増加させると、界面熱伝導率はわずかに低下し、Gは1682 MW/m²Kから1596 MW/m²Kに減少した。
• ナノ粒子温度を400 Kから600 Kに上昇させると、熱伝導率が向上し、加熱段階において正の温度依存性が示された。
• Lennard-Jonesポテンシャルの強度を0.5から4に増加させると、界面熱伝導率は20％上昇し、強い結合依存性が示された。
• クーロン相互作用を除外すると、熱伝導率はほぼ2桁低下し、TiO2-水系において静電的力がファンデルワールス力よりも支配的であることが確認された。
• MDシミュレーションから得られた熱的緩和時間は、MDから得た入力を用いた連続体伝導モデルの予測とよく一致しており、液体中でのナノ粒子冷却にこのようなモデルを用いることの妥当性が裏付けられた。