[论文解读] Interfacial thermal conductance between TiO2 nanoparticle and water: A molecular dynamics study

Mahdi Roodbari, Mohsen Abbasi+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2021

Thermal properties of materials参考文献 55被引用 35

一句话总结

本研究采用瞬态非平衡分子动力学（TNEMD）研究金红石型TiO2纳米颗粒与水之间的界面热导率，发现其值比金或石墨烯等传统纳米颗粒高出一个数量级。热导率的增强主要归因于TiO2中带电的Ti和O原子与水分子之间强烈的静电相互作用，这显著缩短了热弛豫时间，相较于以范德华力为主的体系。

ABSTRACT

The interfacial thermal conductance (Kapitza conductance) between a TiO2 nanoparticle and water is investigated using transient non-equilibrium molecular dynamics. It is found that Kapitza conductance of TiO2 nanoparticles is one order of magnitude greater than other conventional nanoparticles such as gold, silver, silicon, platinum and also carbon nanotubes and graphene flakes. This difference can be explained by comparing the contribution of electrostatic interactions between the partially charged titanium and oxygen atoms and water atoms to the van der Waals interactions, which increases the cooling time by about 10 times. The effects of diameter and temperature of nanoparticle, surface wettability on the interfacial thermal conductance are also investigated. The results showed that by increasing the diameter of the nanoparticle from 4 to 9 nm, Kapitza conductance decreased slightly. Also, increasing the temperature of the heated nanoparticle from 400 K to 600 K led to thermal conductance enhancement. It has been found that increasing the coupling strength of Lennard-Jones (LJ) potential from 0.5 to 4 caused the increment of the Kapitza conductance about 20%. It is also shown that a continuum model which its input is provided by molecular dynamics can be a suitable approximation to describe the thermal relaxation of a nanoparticle in a liquid medium.

研究动机与目标

• 在原子尺度上研究TiO2纳米颗粒与水之间的界面热导率。
• 确定纳米颗粒直径（4–9 nm）、温度（400–600 K）、表面润湿性以及库仑相互作用对热导率的影响。
• 评估静电作用力相对于范德华力在增强固液界面传热中的作用。
• 将分子动力学结果与连续介质热传导模型进行比较，以预测热弛豫行为。
• 评估连续介质模型在近似液相介质中纳米颗粒冷却动力学方面的有效性。

提出的方法

• 采用瞬态非平衡分子动力学（TNEMD）计算TiO2纳米颗粒与水之间的界面热导率。
• 使用TIP4P/2005水模型，结合Lennard-Jones势和库仑势来描述分子间相互作用力。
• 利用LAMMPS进行大规模分子动力学模拟，纳米颗粒直径范围为4至9 nm。
• 有限体积法（FVM）求解连续介质模型中的瞬态热传导方程，输入参数如界面热导率和热物性由MD模拟获得。
• 连续介质模型假设流体静止，而MD模拟考虑了水分子的对流运动，从而可比较冷却动力学行为。
• 对纳米颗粒温度、直径以及Lennard-Jones势强度进行了敏感性分析，以评估其对热导率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 TiO2纳米颗粒与水的界面热导率相较于其他常见纳米颗粒（如金、银和碳纳米管）如何？
• RQ2 纳米颗粒直径（4–9 nm）和温度（400–600 K）对界面热导率有何影响？
• RQ3 TiO2与水分子之间的静电（库仑）相互作用相较于范德华力，对热导率的影响如何？
• RQ4 考虑水分子运动（对流）在多大程度上影响了加热纳米颗粒的热弛豫时间？
• RQ5 基于MD模拟输入的连续介质热传导模型，能否准确预测纳米颗粒在水中的热弛豫行为？

主要发现

• 对于4 nm的纳米颗粒，TiO2与水之间的界面热导率约为1682 MW/m²K，比金（215 MW/m²K）、银（460 MW/m²K）、铂、硅以及碳纳米管高出一个数量级。
• 当纳米颗粒直径从4 nm增加到9 nm时，界面热导率略有下降，G从1682 MW/m²K降至1596 MW/m²K。
• 将纳米颗粒温度从400 K提高到600 K可增强热导率，表明在加热阶段存在正温度依赖性。
• 将Lennard-Jones势强度从0.5提高到4，界面热导率增加约20%，表明热导率对耦合强度具有强依赖性。
• 若排除库仑相互作用，热导率将降低近两个数量级，证实静电作用力在TiO2-水体系中占主导地位，远超范德华力。
• MD模拟得到的热弛豫时间与基于MD输入参数的连续介质传导模型预测结果高度一致，验证了该类模型在液相中纳米颗粒冷却过程中的适用性。