[논문 리뷰] Enhanced local viscosity around colloidal nanoparticles probed by Equilibrium Molecular Dynamics Simulations

Reza Rabani, Mohammad Hassan Saidi외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Nanofluid Flow and Heat Transfer참고 문헌 126인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 녹은 구리 나노입자 주위의 국소 점도를 계산하기 위해 그린-큐보 형식을 적용한 평형 분자 동역학를 사용하여, 표면에서 0–1 nm 거리의 나노층에서 점도 향상이 최대 12배에 이를 수 있음을 밝혀냈다. 이는 강한 고체-액체 상호작용으로 인한 것으로, 밀도 증가만으로는 설명할 수 없으며, 나노입자 표면 근처에서 고체 유사의 정렬된 액체 구조가 형성되기 때문이다. 특히 고체-액체 상호작용 강도가 높을수록 스토크스-아이즈티엔 관계가 붕괴되며, 유체역학적 슬립 효과가 작용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 콜로이드 나노입자 주위의 나노층에서 국소 점도를 조사하기 위해, 열전도에 영향을 미치는 것으로 알려진 영역이지만 아직 점도 측정이 이루어지지 않은 영역을 대상으로 한다.
• 액체가 나노입자 근처에 존재하는 비정현적, 비균일한 시스템에 대해 그린-큐보 방법을 점도 계산에 신뢰성 있게 적용할 수 있는지 평가한다.
• 나노층에서 관찰된 점도 증가의 주요 원인이 국소 밀도 증가인지, 아니면 구조적 정렬인지를 규명한다.
• 나노입자 표면 근처에서 스토크스-아이즈티엔 관계가 붕괴되는 이유를 분석하고, 이를 유체역학적 슬립과 연결한다.

제안 방법

• 고체-액체 상호작용 강도를 다양하게 조절하여(0.25에서 1.5 kcal/mol까지), 구리 나노입자 주위의 액체 아르곤에 대해 평형 분자 동역학(Equilibrium Molecular Dynamics, EMD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비정현적 경계 조건을 고려하기 위해, 비정현적 경계 조건을 수용할 수 있도록 평면 내 점도 성분만을 사용하여 그린-큐보(Green-Kubo, GK) 형식을 적용하여 국소 점도를 계산하였다.
• 나노층(첫 번째 1 nm)으로 정의된 레이어 단위로 점도의 반경 방향 분포를 계산하여 국소 운반 특성을 분리하였다.
• 평균 제곱 이동 데이터에서 확산 계수를 추출하고, 슬립 길이를 포함한 분석적 유체역학 모델에 맞춰 스토크스-아이즈티엔 행동의 이탈을 설명하였다.
• 국소 밀도와 구조적 정렬의 역할을 정량화하기 위해 점도 향상과 반경 방향 밀도 프로파일, 반경 방향 분포 함수를 비교하였다.
• 분석적 슬립 모델(D|| = D_bulk × [1 − 9σ/(16(x + b − σ))])을 시뮬레이션 데이터에 적합하여 슬립 길이와 밀도를 피팅 파라미터로 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노입자 주위의 나노층에서 국소 점도가 배경 점도보다 얼마나 높아지며, 이는 고체-액체 상호작용 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 비정현적, 비균일한 시스템인 나노입자 표면 근처의 액체에서 그린-큐보 방법을 신뢰성 있게 점도 계산에 적용할 수 있는가?
• RQ3 나노층에서 관찰된 점도 향상의 주요 원인이 국소 밀도 증가인지, 아니면 액체 원자의 구조적 정렬인가?
• RQ4 왜 나노입자 표면 근처에서 스토크스-아이즈티엔 관계가 실패하는가? 이는 유체역학적 슬립과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 고체-액체 상호작용 강도에 따라 액체-고체 인터페이스에서의 슬립 길이는 어떻게 변화하며, 이는 확산에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고체-액체 상호작용 강도가 각각 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 kcal/mol일 때, 나노층(나노입자 표면에서 0–1 nm)의 점도는 각각 1.5배, 2배, 6배, 12배로 증가하였다.
• 특히 상호작용 강도가 높을수록 국소 밀도 증가만으로는 점도 향상을 충분히 설명할 수 없으며, 이는 액체 원자들의 구조적 정렬 기여가 크다는 것을 시사한다.
• 강한 상호작용 조건에서 나노층 내에서 고체 유사의 정렬된 액체 구조가 형성되는 것이 점도 향상의 주요 메커니즘이다.
• 강한 상호작용 조건에서는 벽의 마찰 증가와 유체역학적 슬립 감소로 인해 스토크스-아이즈티엔 관계가 붕괴되며, 상호작용 강도가 증가함에 따라 슬립 길이가 2.51 Å에서 0.75 Å으로 감소하였다.
• 높은 슬립 조건에서는 벽 근처에서 확산 계수가 최대 50% 향상되었으며, 분석적 슬립 모델은 반경 방향 확산 프로파일을 성공적으로 기술하였다.
• 모든 상호작용 강도에서 밀도 확산 계수 D_bulk는 약 3.5 × 10⁻⁹ m²/s로 거의 일정하게 유지되었으며, 이는 관측된 이질성이 배경 변화가 아니라 인터페이스 효과 때문임을 시사한다.