[논문 리뷰] An Analytic Model for Nano Confined Fluids Phase-Transition (Applications for Confined Fluids in Nanotube and Nanoslit)

Ezat Keshavarzi, R. Sohrabi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 30.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 통계역학의 섭동 이론을 기반으로 한 분석 모델을 제시하여 나노 구속 유체의 상전이를 예측한다. 이 모델은 벽에 의해 유도되는 자유도와 텐서형 압력을 고려하며, 임계 온도가 나노 구속 크기가 작아질수록 증가하고 시스템 크기가 증가함에 따라 근차적으로 매크로스코픽 값에 수렴함을 보여준다. 또한 나노튜브와 나노슬릿에서의 상전이 과정 중 국소 밀도 및 상 분열 현상을 포괄적으로 기록한다.

ABSTRACT

In this report, an analytic model to predict phase transitions of confined fluids in nano systems is presented and it is used to predict the behavior of the confined fluid in nanotubes and nanoslits. In our approach besides including a third degree of freedom due to wall effect to define the state of the system, the tensorial character for pressure is considered. Using the perturbation theory of statistical mechanics it is shown that the van der Waals equation of state is equally valid for small as well as large systems. The model proposed is shown to predict the liquid-vapor phase transition as well as the critical point in any size confined fluid systems. It is also shown that the critical temperature increases with the size of the nano system and finally it reaches the macroscopic critical temperature value as the diameter of the nanotube (or width of the nanoslit) approaches infinity. The proposed model can also demonstrate the existence of the local density and phase fragmentations during phase transitions in a confined nano system.

연구 동기 및 목표

• 나노튜브와 나노슬릿과 같은 나노스케일 구속 조건에서의 유체 상전이를 예측할 수 있는 분석 모델을 개발하는 것.
• 벽 효과로 인한 추가 자유도를 도입하여 구속 벽의 영향을 반영하는 것.
• 통계역학 섭동 이론을 통해 반데르발스 상태방정식의 유효 범위를 소계수 및 대계수 모두에 확장하는 것.
• 시스템 크기가 구속 유체의 임계 온도와 상 행동에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 나노구속 시스템에서의 상전이 과정 중 국소 밀도 및 상 분열 현상을 포착하는 것.

제안 방법

• 구속 유체의 상태방정식 유도를 위해 통계역학 섭동 이론을 적용하는 것.
• 벽 효과를 반영하기 위해 추가 자유도를 도입하여 구속 조건 하에서 시스템 상태를 기술하는 것.
• 나노구속 시스템에서의 이방성 힘을 반영하기 위해 압력의 텐서 성격을 고려하는 것.
• 섭동 이론을 활용하여 반데르발스 상태방정식을 나노스케일 시스템에 적응시키는 것.
• 모델을 사용하여 구속 기하구조에서의 액상-기상 상전이 및 임계점을 예측하는 것.
• 나노튜브의 직경과 나노슬릿의 두께에 따른 임계 온도 의존성에 대한 수치적 및 분석적 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노구속은 유체의 임계 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 통계역학을 활용해 반데르발스 상태방정식을 나노구속 유체에 일관되게 적용할 수 있는가?
• RQ3 벽에 의해 유도된 자유도는 구속 유체의 상 행동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 압력의 텐서 성격은 나노스케일 시스템에서의 상전이 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 나노구속 시스템에서의 상전이 과정 중 국소 밀도 및 상 분열 현상은 어느 정도 나타나는가?

주요 결과

• 구속된 유체의 임계 온도는 시스템 크기가 작아질수록 증가하며, 특히 좁은 나노튜브나 나노슬릿에서 두드러진다.
• 나노튜브의 직경이나 나노슬릿의 두께가 무한대에 가까워질수록 임계 온도는 매크로스코픽 값으로 수렴한다.
• 수정된 반데르발스 상태방정식을 사용하여 이 모델은 나노튜브와 나노슬릿 모두에서 액상-기상 상전이를 성공적으로 예측한다.
• 벽에 의해 유도된 자유도와 텐서형 압력을 포함시킴으로써 나노구속 시스템에서의 상전이 예측 정확도가 향상된다.
• 모델은 나노구속 구조에서의 상전이 과정 중 국소 밀도 및 상 분열 현상 존재를 드러낸다.
• 섭동 이론 접근법을 통해 반데르발스 상태방정식이 구속 조건 하에서 소계수 및 대계수 모두에 대해 유효함을 확인한다.