[论文解读] Effect of controlled corrugation on capillary condensation of colloid-polymer mixtures

Andrea Fortini, Matthias Schmidt|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Phase Equilibria and Thermodynamics参考文献 1被引用 39

一句话总结

本研究利用蒙特卡洛模拟，探究基底周期性起伏对胶体-聚合物混合体系中毛细凝聚的影响。结果表明，增大起伏幅度主要通过增加流体与基底的接触面积，从而增强毛细凝聚；基于改进的开尔文方程的理论预测与模拟数据高度一致。

ABSTRACT

We investigate with Monte Carlo computer simulations the capillary phase behaviour of model colloid-polymer mixtures confined between a flat wall and a corrugated wall. The corrugation is modelled via a sine wave as a function of one of the in-plane coordinates leading to a depletion attraction between colloids and the corrugated wall that is curvature dependent. We find that for increased amplitude of corrugation the region of the phase diagram where capillary condensation occurs becomes larger. We derive a Kelvin equation for this system and compare its predictions to the simulation results. We find good agreement between theory and simulation indicating that the primary reason for the stronger capillary condensation is an increased contact area between the fluid and the corrugated substrate. On the other hand, the colloid adsorption curves at colloid gas-liquid coexistence show that the increased area is not solely responsible for the stronger capillary condensation. Additionally, we analyse the dimensional crossover from a quasi-2D to a quasi-1D system and find that the transition is characterised by the appearance of a metastable phase.

研究动机与目标

• 理解基底起伏如何影响胶体-聚合物混合体系中的毛细相行为。
• 确定几何效应（如接触面积增加）是否在起伏系统中主导毛细凝聚。
• 推导并验证适用于受限流体系统中曲面、起伏基底的改进开尔文方程。
• 分析从准二维到准一维受限的维度交叉转变及其对相稳定性的影响。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟，研究受限于平面壁与正弦形起伏壁之间的胶体-聚合物混合体系。
• 在平面内一个坐标方向上将起伏建模为正弦函数，以生成依赖曲率的耗尽吸引力。
• 推导一个考虑系统曲率与起伏幅度的改进开尔文方程。
• 将模拟结果中毛细凝聚与胶体吸附行为与改进开尔文方程的理论预测进行比较。
• 通过改变系统的有效维度，从准二维到准一维，分析维度交叉转变。
• 通过吸附与共存曲线分析，识别在维度转变过程中出现的亚稳相。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加基底起伏幅度如何影响胶体-聚合物混合体系中毛细凝聚的程度？
• RQ2 由于起伏导致的流体-基底接触面积增加，在多大程度上可解释增强的毛细凝聚？
• RQ3 与模拟数据相比，改进的开尔文方程是否能准确预测起伏系统中的毛细凝聚？
• RQ4 系统从准二维到准一维的维度交叉转变如何影响相行为与稳定性？
• RQ5 亚稳相在不同维度受限区域之间的转变中起何种作用？

主要发现

• 增加起伏幅度导致毛细凝聚在相图中发生的区域扩大。
• 为本系统推导的改进开尔文方程与模拟结果具有良好的定量一致性，验证了其预测能力。
• 增强的毛细凝聚主要归因于流体与起伏基底之间接触面积的增加。
• 尽管接触面积增加，胶体吸附数据表明还存在几何以外的贡献，提示凝聚增强中存在非几何效应。
• 从准二维到准一维受限的维度交叉转变以相图中出现亚稳相为标志。
• 该转变表现为相共存行为的改变，表明有效界面作用与受限效应发生显著变化。