[논문 리뷰] Surface tension of small bubbles and droplets and the cavitation threshold

Mikhail N. Shneider, Mikhail Pekker|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 14.

nanoparticles nucleation surface interactions참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이배열 상호작용 근사법 내에서 레너드존스 포텐셜을 사용하여 나노스케일 기포와 물방울의 표면장력에 대한 통합 이론적 분석을 제시한다. 표면장력은 기포의 경우 곡률 감소에 따라 감소하지만, 물방울의 경우 증가하며, 이는 상이한 톨만 보정을 반영한다. 이러한 곡률 의존성은 저압 환경에서 기화 임계값 예측에 결정적인 영향을 미친다.

ABSTRACT

In this paper, using an unified approach, estimates are given of the magnitude of the surface tension of water for planar and curved interfaces in the pairwase interaction approximation based on the Lennard-Jones potential. It is shown that the surface tensions of a bubble and droplet have qualitatively different dependences on the curvature of the surface: for the bubble, as the radius of the surface's curvature decreases, the surface tension decreases, whereas it increases on the droplet. The corresponding values of the Tolman corrections are also determined. In addition, it is shown that the dependence of the surface tension on the surface's curvature is important for evaluating the critical negative pressure for the onset of cavitation.

연구 동기 및 목표

• 곡률 효과로 인해 나노스케일 수계에서 표면장력이 매크로 상태 값에서 어떻게 벗어나는지 이해하기 위해.
• 이배열 상호작용 모델을 사용하여 레너드존스 포텐셜을 적용하여 곡률이 있는 기포와 물방울의 표면장력 표현식을 유도하기 위해.
• 기포 및 물방울 인터페이스에 대한 톨만 보정을 정량화하고 그 곡률 의존성을 비교하기 위해.
• 곡률 의존 표면장력이 기화 발생 임계 음압에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 작은 체계의 유체 시스템에서 표면성질을 기술하는 통합 이론적 프레임워크 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 액체 물에서 분자 간 상호작용을 모델링하기 위해 레너드존스 포텐셜을 사용한다.
• 표면장력을 평면, 오목(물방울), 그리고 볼록(기포) 인터페이스에 대해 계산하기 위해 이배열 상호작용 근사를 적용한다.
• 표면장력의 곡률 의존성이 해석적으로 유도되며, 톨만 길이 보정의 명시적 표현이 포함된다.
• 고전적 핵형성 이론에 곡률 의존 표면장력을 통합하여 기화 임계 압력을 평가한다.
• 평균 곡률의 부호에 따라 물방울(오목)과 기포(볼록) 기하구조를 구분한다.
• 두 시스템에 대해 반지름에 따른 표면장력의 수치적 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노스케일 기포의 경우 곡률에 따라 표면장력이 어떻게 변화하는가? 이는 물방울과 어떻게 다를까?
• RQ2 레너드존스 모델에서 기포와 물방울의 각각의 톨만 보정은 무엇인가?
• RQ3 곡률 의존 표면장력은 저압 환경에서 기화 임계값 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기하학적 곡률 감소에 따라 기포와 물방울이 표면장력 변화에서 반대되는 경향을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ5 동일한 포텐셜 모델을 사용하여 볼록 및 오목 인터페이스에서 표면장력을 기술할 수 있는 통합 이론적 프레임워크를 만들 수 있는가?

주요 결과

• 기포의 경우 곡률 반지름 감소에 따라 표면장력이 감소하며, 이는 소규모 체계에서 안정화 효과를 나타낸다.
• 반대로, 물방울의 경우 곡률 반지름 감소에 따라 표면장력이 증가하며, 이는 소규모 체계에서의 응집 에너지 증가를 반영한다.
• 기포의 톨만 보정은 음수이며, 물방울의 경우 양수이며, 이는 곡률 반응의 정성적 차이를 확인한다.
• 톨만 보정의 크기는 해석적으로 유도되었으며, 나노스케일 치수에서 상당한 영향을 미친다.
• 표면장력의 곡률 의존성은 특히 10 nm 이하 시스템에서 예측된 기화 임계값에 상당한 이동을 유도한다.
• 모델은 고전적인 캡일라리 모델보다 작은 기포에서 기화가 더 낮은 음압에서 발생할 가능성이 있음을 예측한다.