[论文解读] Enhanced local viscosity around colloidal nanoparticles probed by Equilibrium Molecular Dynamics Simulations

Reza Rabani, Mohammad Hassan Saidi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Nanofluid Flow and Heat Transfer参考文献 126被引用 10

一句话总结

本研究采用平衡分子动力学结合Green-Kubo方法，计算铜纳米颗粒周围局部黏度，发现在纳米层（距表面0–1 nm范围内）黏度最高提升至12倍，这是由于固液相互作用强烈所致。该增强效应超出仅由密度增加所能解释的范围，表明在纳米颗粒表面附近形成类固态、有序的液态结构是主导因素，尤其在强相互作用下，由于流体滑移效应导致Stokes-Einstein关系失效。

ABSTRACT

Nanofluids; dispersions of nanometer-sized particles in a liquid medium; have been proposed for a wide variety of thermal management applications. It is known that a solid-like nanolayer of liquid of typical thickness 0.5-1 nm surrounding the colloidal nanoparticles can act as a thermal bridge between the nanoparticle and the bulk liquid. Yet, its effect on the nanofluid viscosity has not been elucidated so far. In this article, we compute the local viscosity of the nanolayer using equilibrium molecular dynamics based on the Green-Kubo formula. We first assess the validity of the method to predict the viscosity locally. We apply this methodology to the calculation of the local viscosity in the immediate vicinity of a metallic nanoparticle for a wide range of solid-liquid interaction strength, where a nanolayer of thickness 1 nm is observed as a result of the interaction with the nanoparticle. The viscosity of the nanolayer, which is found to be higher than its corresponding bulk value, is directly dependent on the solid-liquid interaction strength. We discuss the origin of this viscosity enhancement and show that the liquid density increment alone cannot explain the values of the viscosity observed. Rather, we suggest that the solid-like structure of the distribution of the liquid atoms in the vicinity of the nanoparticle contributes to the nanolayer viscosity enhancement. Finally, we observe a failure of the Stokes-Einstein relation between viscosity and diffusion close to the wall, depending on the liquid-solid interaction strength, which we rationalize in terms of hydrodynamic slip.

研究动机与目标

• 研究胶体纳米颗粒周围纳米层的局部黏度，该区域虽已知影响热传导，但其黏度尚未被充分表征。
• 评估Green-Kubo方法在非周期性、非均质系统（如纳米颗粒表面附近的液体）中计算黏度的可靠性。
• 确定纳米层中黏度增加的主要驱动力是局部密度增加还是结构有序性。
• 研究纳米颗粒表面附近Stokes-Einstein关系失效的原因，并将其与流体滑移效应关联。

提出的方法

• 对不同固液相互作用强度（0.25至1.5 kcal/mol）的铜纳米颗粒周围的液氩体系进行了平衡分子动力学（EMD）模拟。
• 采用Green-Kubo（GK）方法计算径向分层的局部黏度，仅使用面内黏度分量以适应非周期性边界条件。
• 逐层计算黏度的径向分布，将距表面0–1 nm范围定义为纳米层，以分离局部输运性质。
• 从均方位移数据中提取自扩散系数，并通过引入滑移长度的解析流体动力学模型，解释Stokes-Einstein行为的偏离。
• 通过比较黏度增强与径向密度分布及径向分布函数，量化局部密度与结构有序性的作用。
• 将解析滑移模型（D|| = D_bulk × [1 − 9σ/(16(x + b − σ))]) 拟合至模拟数据，以提取滑移长度和本体扩散系数作为拟合参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米颗粒周围纳米层的局部黏度相较于本体黏度增强多少？这种增强如何随固液相互作用强度变化？
• RQ2 Green-Kubo方法能否可靠地应用于非周期性、非均质系统（如纳米颗粒表面附近的液体）中的黏度计算？
• RQ3 纳米层中观测到的黏度增强主要是由局部密度增加引起，还是由液态原子的结构有序性引起？
• RQ4 为何Stokes-Einstein关系在纳米颗粒表面附近失效？这与流体滑移有何关联？
• RQ5 液固界面的滑移长度如何随相互作用强度变化？其对扩散有何影响？

主要发现

• 当固液相互作用强度分别为0.25、0.5、1.0和1.5 kcal/mol时，纳米层（距纳米颗粒表面0–1 nm）的黏度分别提升1.5倍、2倍、6倍和12倍。
• 黏度增强无法仅由局部密度增加完全解释，尤其在强相互作用下，表明液态原子的结构有序性有显著贡献。
• 在强相互作用下，纳米层中形成类固态、有序结构被确认为黏度增强的主要机制。
• 在强相互作用下，由于壁面摩擦增加和流体滑移减少，Stokes-Einstein关系失效，滑移长度随相互作用强度增加从2.51 Å降至0.75 Å。
• 在高滑移条件下，壁面附近的自扩散系数最高可提升50%，且解析滑移模型能成功捕捉径向扩散分布。
• 所有相互作用强度下，本体扩散系数均保持在约3.5 × 10⁻⁹ m²/s，表明观测到的偏离源于界面效应而非本体性质变化。