[논문 리뷰] USE OF TWO-PARTICLE SIMULATIONS FOR THE EVALUATION OF THE FLOCCULATION RATE IN THE CASE OF INSURMOUNTABLE REPULSIVE BARRIERS

Germán Urbina-Villalba|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 13.

Surfactants and Colloidal Systems참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 극복할 수 없는 반발력 장벽이 존재하는 콜로이드계에서의 응집 속도를 추정하기 위해 수정된 이입자 시뮬레이션 방법을 개발한다. 특히 제2최소값 응집에 초점을 맞춘다. Fuchs 이론과 다수의 이입자 시뮬레이션을 조합함으로써, SDS로 안정화된 헥사데칸-물 나노에멀전에서 방울 변형이 응집 속도에 미치는 영향을 정확하게 예측할 수 있으며, 전체 다입자 시뮬레이션에 비해 계산적으로 효율적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

The interaction potential between two colloidal particles typically spans a few nanometers. Hence the correct appraisal of the potential in simulations requires very short time steps. However, it is often possible to combine one many-particle calculation with several two-particle simulations in order to estimate a set of aggregation rates. As in the theory of Fuchs, this procedure combines the evaluation of the fastest flocculation rate with the calculation of several stability ratios. This methodology was already tested in systems which exhibit low repulsive barriers for primary minimum flocculation. In this article, the procedure is modified in order to calculate an average rate for secondary minimum flocculation. The technique is then used to estimate the influence of drop deformation on the aggregation rate of hexadecane-in-water nano-emulsions stabilized with sodium dodecylsulfate (SDS).

연구 동기 및 목표

• 높은, 극복할 수 없는 반발 에너지 장벽이 존재하는 콜로이드계에서의 응집 시뮬레이션 문제를 해결하기 위해.
• 이전에 주최점 최소값 응집에 사용된 Fuchs 이론 기반 접근법을 제2최소값 응집으로 확장하기 위해.
• 나노에멀전에서 방울 변형이 응집 동역학에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전체 다입자 시뮬레이션에 비해 계산적으로 효율적인 대안을 제공하기 위해 다수의 이입자 시뮬레이션을 활용하기 위해.
• 실제 입자 간 잠재력 조건 하에서 안정성 비율과 평균 응집 속도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• Fuchs 이론 프레임워크를 수정하여 제2최소값 응집을 포함하도록 하고, 속도 평가 절차를 재조정하기 위해.
• 다양한 초기 조건과 구성에서 이입자 간 상호작용을 모델링하기 위해 다수의 이입자 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 나노미터 수준의 해상도로 입자 간 잠재력을 시뮬레이션하며, 빠른 동역학을 포착하기 위해 짧은 시간 단계가 필요하다.
• 다수의 이입자 시뮬레이션 결과를 조합하여 시스템 전반의 효과적인 평균 응집 속도를 추정하기 위해.
• 방울 변형 영향을 상호작용 잠재력에 통합하여 응집에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다른 조건에서의 응집 속도 비율을 통해 안정성 비율을 계산하여 시스템 안정성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고반발력 장벽이 존재하는 제2최소값 영역에서 응집 속도를 정확하게 추정하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 SDS로 안정화된 헥사데칸-물 나노에멀전에서 방울 변형은 응집 속도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 이입자 시뮬레이션 방법은 주최점 최소값 응집에서 제2최소값 응집으로 효과적으로 확장될 수 있는가?
• RQ4 이입자 시뮬레이션에서 유도된 안정성 비율은 전체 다입자 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 이입자 시뮬레이션을 직접 다입자 시뮬레이션보다 사용할 경우 계산상의 이점은 무엇인가?

주요 결과

• 수정된 이입자 시뮬레이션 방법은 고반발력 장벽이 존재하는 제2최소값 응집 시스템에서 평균 응집 속도를 성공적으로 추정한다.
• 방울 변형은 SDS로 안정화된 헥사데칸-물 나노에멀전에서 응집 속도를 크게 증가시키며, 이는 불안정화에 기여하는 비중이 상당하다는 것을 시사한다.
• 전체 다입자 시뮬레이션에 비해 상당히 낮은 계산 비용으로도 신뢰할 수 있는 결과를 도출한다.
• 이입자 시뮬레이션에서 유도된 안정성 비율은 제2최소값 응집에 대해 이론적 기대와 양호한 일치를 보인다.
• 강력한 반발력 장벽으로 인해 주최점 최소값이 에너적으로 접근 불가능한 경우에도 이 기법은 정확한 응집 속도 추정이 가능하다.
• 공개된 데이터와의 비교를 통해 검증되었으며, 다양한 입자 간 잠재력 매개변수에 대해 강건함을 입증한다.