[논문 리뷰] Interfacial thermal conductance between TiO2 nanoparticle and water: A molecular dynamics study

Mahdi Roodbari, Mohsen Abbasi외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 07.

Thermal properties of materials참고 문헌 55인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 투과성 비평형 분자역학(TNEMD)을 사용하여 TiO₂ 나노입자와 물 사이의 계면 열전도도를 조사하였으며, 기존의 금이나 그래핀과 같은 일반적인 나노입자보다 열전도도가 약 10배 높다는 것을 밝혀냈다. 향상된 열전도도는 주로 TiO₂의 전하를 띤 Ti와 O 원자와 물 분자 간의 강한 전기적 상호작용으로 인해 발생하며, 이는 반데르발스 힘에 의해 지배되는 시스템에 비해 열적 회복 시간이 크게 감소하기 때문이다.

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.

연구 동기 및 목표

• TiO₂ 나노입자와 물 사이의 계면 열전도도를 원자 척도에서 조사하기 위해.
• 나노입자 직경(4–9 nm), 온도(400–600 K), 표면 침윤성 및 쿠론 상호작용이 열전도도에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 고체-액체 계면에서 열전달을 향상시키는 전기적 힘과 반데르발스 상호작용 간의 역할을 평가하기 위해.
• 분자역학 결과를 연속체 열전도 모델과 비교하여 열적 회복 예측을 위해 사용하기 위해.
• 연속체 모델이 액체 매질 내 나노입자 냉각 역학을 근사하는 데 있어 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• TiO₂ 나노입자와 물 사이의 계면 열전도도를 계산하기 위해 임시 비평형 분자역학(TNEMD)을 사용하였다.
• 분자 간 힘을 기술하기 위해 Lennard-Jones 및 쿠론 상호작용을 사용한 TIP4P/2005 물 모델을 적용하였다.
• LAMMPS를 사용하여 직경 4~9 nm 범위의 나노입자를 포함한 대규모 분자역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• 유한체적법(FVM)을 사용하여 연속체 모델에서 임시 열전도 방정식을 해결하였으며, 분자역학에서 유도된 입력값(예: 계면 열전도도 및 열적 성질)을 사용하였다.
• 연속체 모델은 정적인 유체를 가정한 반면, 분자역학은 물 분자의 이송 효과를 고려하여 냉각 역학을 비교할 수 있도록 하였다.
• 열전도도에 미치는 영향을 평가하기 위해 나노입자 온도, 직경 및 Lennard-Jones 잠재 에너지 강도에 대한 민감도 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiO₂ 나노입자와 물 사이의 계면 열전도도는 금, Ag, 탄소 나노튜브와 같은 다른 일반적인 나노입자와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 나노입자 직경(4–9 nm)과 온도(400–600 K)가 계면 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TiO₂와 물 분자 간의 전기적(쿠론) 상호작용이 반데르발스 힘에 비해 열전도도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 물 분자의 운동(이송)을 고려할 경우, 가열된 나노입자의 열적 회복 시간은 얼마나 영향을 받는가?
• RQ5 분자역학 시뮬레이션으로 유도된 정보를 바탕으로 한 연속체 열전도 모델이 물 내 나노입자의 열적 회복을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 4 nm 직경의 TiO₂ 나노입자에 대해 물과의 계면 열전도도는 약 1682 MW/m²K이며, 이는 금(215 MW/m²K), Ag(460 MW/m²K), Pt, Si, 탄소 나노튜브보다 약 10배 높은 수준이다.
• 나노입자 직경을 4 nm에서 9 nm로 증가시키면 계면 열전도도는 약간 감소하며, G는 1682에서 1596 MW/m²K로 감소한다.
• 나노입자 온도를 400 K에서 600 K로 상승시키면 열전도도가 향상되어 가열 단계에서 온도 의존성이 긍정적임을 나타낸다.
• Lennard-Jones 잠재 에너지 강도를 0.5에서 4로 증가시키면 계면 열전도도가 약 20% 증가하여 강한 결합 의존성이 있음을 시사한다.
• 쿠론 상호작용을 제거하면 열전도도가 거의 두 계단 감소하며, 이는 TiO₂-물 시스템에서 전기적 힘이 반데르발스 상호작용보다 지배적임을 확인한다.
• 분자역학 시뮬레이션에서 유도된 열적 회복 시간이 분자역학 입력값을 사용한 연속체 열전도 모델의 예측값과 밀도적으로 일치하여, 이러한 모델이 액체 매질 내 나노입자 냉각을 근사하는 데에 타당함을 검증한다.