[논문 리뷰] Why Nanosystems and Macroscopic Systems Behave Differently

Pirooz Mohazzabi, Mansouri Gh.A.|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 07.

Nanotechnology research and applications참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 분자의 시뮬레이션을 통해 나노계 시스템이 고전적 열역학적 거동에서 벗어남을 보여준다: 내부 에너지와 엔트로피와 같은 광범위한 성질은 진정으로 광범위하지 않으며, 온도와 압력과 같은 강도 성질은 나노스케일에서 엄격히 강도 성질이 아니다. 시스템 크기가 커질수록 이러한 성질에 대한 오일러 지수는 매크로스케일 시스템의 특징인 정수 값으로 수렴하며, 이는 나노스케일 시스템에서 표준 열역학적 척도법의 기본적인 붕괴를 드러낸다.

ABSTRACT

Advancement in nanotechnology is dependent on the understanding of the behavior of matter in nanoscale. In this report we have demonstrated, through a unique molecular simulation procedure, that properties of matter in nanosystems do not follow the same rules as in macroscopic systems. More specifically, it is shown that extensive properties such as internal energy and entropy are not extensive, and intensive properties such as temperature and pressure are not intensive in nanosystems, in contrast to macroscopic systems. Variations of the Euler exponents for these properties as a function of the number of particles of the system are reported. As the size of the system increases, the value of these exponents approach integers that correspond to the macroscopic systems.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 시스템에서 고전적 열역학적 척도 법칙의 붕괴를 조사하기.
• 나노계 시스템에서 광범위한 성질과 강도 성질이 매크로스케일 행동과 어떻게 다를지 분석하기.
• 분자의 시뮬레이션을 사용하여 열역학적 성질의 오일러 지수의 크기 의존성을 정량화하기.
• 시스템 크기가 매크로스케일 척도에 가까워질수록 이러한 지수가 정수 값으로 수렴함을 보여주기.

제안 방법

• 다양한 시스템 크기에서 열역학적 성질을 모델링하기 위해 고유한 분자의 시뮬레이션 절차를 사용하였다.
• 내부 에너지, 엔트로피, 온도, 압력의 입자 수에 대한 의존성을 추적하였다.
• 각 성질에 대해 오일러 지수를 계산하여 시스템 크기의 척도 행동을 평가하였다.
• 입자 수의 함수로서 지수를 분석하여 나노스케일에서 정수 값에서의 이격을 식별하였다.
• 나노스케일 결과를 매크로스케일 열역학의 기대 정수 지수와 비교하였다.
• 시스템 크기를 체계적으로 변화시켜 지수가 정수 값으로 수렴하는 경향을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노계에서 내부 에너지와 엔트로피와 같은 광범위한 성질이 매크로스케일 시스템과 비교해 어떻게 척도가 붙는가?
• RQ2 온도와 압력과 같은 강도 성질이 나노스케일 시스템에서 얼마나 실제로 강도 성질인가?
• RQ3 나노계 시스템에서 시스템 크기의 함수로서 열역학적 성질의 오일러 지수는 어떻게 행동하는가?
• RQ4 시스템 크기가 커질수록 열역학적 성질의 척도 지수가 정수 값으로 수렴하는가?
• RQ5 왜 나노계 시스템에서 표준 열역학적 척도 법칙이 붕괴되는가?

주요 결과

• 나노계에서 광범위한 성질인 내부 에너지와 엔트로피는 입자 수에 대해 선형으로 척도가 붙지 않으며, 이는 광범위성 원칙의 위반을 의미한다.
• 온도와 압력와 같은 강도 성질은 크기 의존성 변화를 보이며, 이는 나노스케일에서 엄격히 강도 성질이 아님을 시사한다.
• 나노계에서 열역학적 성질의 오일러 지수는 정수 값에서 이격되어 있어 비이상적 척도 행동을 반영한다.
• 입자 수가 증가할수록 모든 성질에 대한 오일러 지수가 매크로스케일 시스템의 특징인 정수 값으로 수렴한다.
• 지수가 정수로 수렴하는 것은 고전적 열역학적 행동이 나노스케일 시스템에서 점차 나타나는 것을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 유한한 크기 효과로 인해 나노계 시스템이 매크로스케일 시스템과 동일한 열역학 법칙을 따르지 않는다는 것을 확인한다.