[論文レビュー] Surface tension of small bubbles and droplets and the cavitation threshold

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

nanoparticles nucleation surface interactions参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、二様体的相互作用近似におけるLennard-Jonesポテンシャルを用いて、ナノスケールの気泡および液滴における界面張力の統一的理論的分析を提示する。界面張力は気泡では曲率が小さくなるにつれて減少するが、液滴では増加するという相反する傾向が示され、それぞれに特徴的なTolman補正が存在する。この曲率依存性は、低圧環境下における核化閾値の予測に顕著に影響を与える。

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.

研究の動機と目的

• 曲率効果によるナノスケールの水系における界面張力がボトム値からどのように逸脱するかを理解すること。
• 二様体的相互作用モデルを用いて、Lennard-Jonesポテンシャルに基づき、曲がった気泡および液滴の界面張力式を導出すること。
• 気泡および液滴界面におけるTolman補正を定量的に評価し、その曲率依存性を比較すること。
• 曲率依存界面張力が核化開始の臨界負圧に与える影響を評価すること。
• 同じポテンシャルモデルを用いて、凸面および凹面界面における界面性質を統一的に記述する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 研究では、液体水内の分子間相互作用をモデル化するためにLennard-Jonesポテンシャルを用いる。
• 平面、凹面（液滴）、凸面（気泡）の界面に対して、二様体的相互作用近似を適用して界面張力を計算する。
• 界面張力の曲率依存性を解析的に導出し、Tolman長の明示的表現を提示する。
• 古典的核化理論に曲率依存界面張力を組み込むことで、臨界核化圧力を評価する。
• 平均曲率の符号に基づき、液滴（凹面）と気泡（凸面）の幾何的構造を区別する。
• 両系において、半径関数としての界面張力の数値的評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールの気泡と液滴において、界面張力は曲率にどのように依存するか？
• RQ2 Lennard-Jonesモデルにおける気泡および液滴のそれぞれのTolman補正は何か？
• RQ3 曲率依存界面張力は、低圧環境下における核化閾値の予測にどのように影響するか？
• RQ4 なぜ気泡と液滴では、半径が小さくなるにつれて界面張力の変化が逆転するのか？
• RQ5 同じポテンシャルモデルを用いて、凸面および凹面界面における界面張力を統一的に記述できる理論枠組みを構築できるか？

主な発見

• 気泡では、曲率半径が小さくなるにつれて界面張力が減少し、微小スケールでの安定化効果を示す。
• これに対して、液滴では、曲率半径が小さくなるにつれて界面張力が増加し、微小サイズでの強化された内束エネルギーを反映する。
• 気泡のTolman補正は負であり、液滴のそれは正であるため、曲率応答における定性的な差を確認する。
• Tolman補正の大きさは解析的に導出され、ナノスケールの寸法では顕著な影響を示すことが示された。
• 界面張力の曲率依存性は、特に10 nm未満の系において、予測される核化閾値に顕著なシフトを引き起こす。
• モデルは、古典的キャピラリー理論が予測するよりも、微小気泡の核化が低い負圧で発生しやすいと予測する。