[論文レビュー] Molecular dynamic simulation of water vapor interaction with blind pore of dead-end and saccate type

E. G. Nikonov, Miron Pavluš+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2017

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、分子動力学（MD）シミュレーションとマクロスケール拡散モデルを組み合わせて、ドアレス型およびサッカート型のブラインドポアにおける水蒸気輸送を調査した。MDシミュレーションから導出した拡散係数を用いて3次元拡散方程式に適用することで、著者らはハイブリッド手法が乾燥および湿潤のダイナミクスを正確に捉えられることを示した。微視的およびマクロ的予測における水蒸気濃度の時間変化は、強い一致を示した。

ABSTRACT

One of the varieties of pores, often found in natural or artificial building materials, are the so-called blind pores of dead-end or saccate type. Three-dimensional model of such kind of pore has been developed in this work. This model has been used for simulation of water vapor interaction with individual pore by molecular dynamics in combination with the diffusion equation method. Special investigations have been done to find dependencies between thermostats implementations and conservation of thermodynamic and statistical values of water vapor - pore system. The two types of evolution of water-pore system have been investigated: drying and wetting of the pore. Full research of diffusion coefficient, diffusion velocity and other diffusion parameters has been made.

研究の動機と目的

• 分子動力学を用いてドアレス型およびサッカート型のブラインドポアにおける水蒸気の相互作用をモデル化すること。
• 温度制御パラメータが水蒸気–ポア系における熱力学的安定性に与える影響を調査すること。
• 乾燥および湿潤プロセス中の拡散係数および速度を特定すること。
• MDから得た拡散係数を用いてマクロスケール拡散モデルを構築・検証すること。
• 微視的MD結果とマクロスケール拡散モデルの予測結果との比較を通じて、水蒸気濃度を評価すること。

提案手法

• MDシミュレーション用に、寸法が500×50×50 nmの3次元ブラインドポアモデルを構築した。
• 水分子間相互作用を記述するために、σ=3.17 Åおよびε=6.74×10⁻³ eVのLennard-Jonesポテンシャルを用いた。
• 温度を25 °Cに維持するために、Berendsen thermostat（τB ∈ [0.5,2] ps）を用いた速度Verlet積分法を適用した。
• 65.3 nsのシミュレーションをΔt=0.016 psで実行し、ポア内に1000–1800個のH₂O分子、外部領域に1800–9000個の分子を追跡した。
• 乾燥および湿潤プロセスにおけるMDデータから拡散係数を算出した。
• 偏微分方程式 ∂wv/∂t = D(∂²wv/∂x² + ∂²wv/∂y² + ∂²wv/∂z²) を用いた3次元マクロスケール拡散モデルを定式化した。境界条件はポア開口部における蒸気移動を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる温度制御手法が、水蒸気–ポア系における熱力学的および統計的性質の保存にどのように影響するか？
• RQ2 ブラインドポア内の乾燥および湿潤過程における時間依存的拡散係数は何か？
• RQ3 MDで得た結果と、MDから得たD値を用いたマクロスケール拡散モデルの予測結果との間には、微視的MD結果とどのような相違・一致があるか？
• RQ4 ポア幾何学的形状および境界条件が、水蒸気輸送ダイナミクスに果たす役割は何か？
• RQ5 MDと拡散モデルを組み合わせたハイブリッドモデルは、ブラインドポア内における一時的水蒸気濃度プロファイルを正確に記述できるか？

主な発見

• MDシミュレーションの結果、Berendsen thermostatは65.3 nsにわたり25 °Cを安定的に維持し、系の熱力学的性質が安定したことを示した。
• 乾燥プロセスにおける拡散係数は約1779.1 nm²/ps、湿潤プロセスでは536.33 nm²/psであった。
• マクロスケール拡散モデルは変数分離法により正確な解析解が得られ、時間経過に伴う水蒸気濃度の変化を明確に再現した。
• マクロモデルの空間平均水蒸気濃度は、図3で確認したようにMDシミュレーション結果と強く一致した。
• MDから得たD値を用いたマクロスケール拡散モデルを組み合わせたハイブリッド手法は、ポア–水分子相互作用のシミュレーションに信頼できる手法であると検証された。
• 本モデルは、初期濃度が高い乾燥プロセスおよび初期濃度が低い湿潤プロセスの両方のダイナミクスを的確に捉え、時間スケールにわたる濃度プロファイルが一致した。