[论文解读] USE OF TWO-PARTICLE SIMULATIONS FOR THE EVALUATION OF THE FLOCCULATION RATE IN THE CASE OF INSURMOUNTABLE REPULSIVE BARRIERS

Germán Urbina-Villalba|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2016

Surfactants and Colloidal Systems参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出一种改进的双粒子模拟方法，用于估算具有不可逾越的排斥势垒的胶体系统中的絮凝速率，特别适用于二级最小值絮凝。通过结合Fuchs理论与多次双粒子模拟，该方法准确预测了在SDS稳定的十六烷/水纳米乳液中液滴形变对聚集速率的影响，为全多粒子模拟提供了一种计算效率更高的替代方案。

ABSTRACT

The interaction potential between two colloidal particles typically spans a few nanometers. Hence the correct appraisal of the potential in simulations requires very short time steps. However, it is often possible to combine one many-particle calculation with several two-particle simulations in order to estimate a set of aggregation rates. As in the theory of Fuchs, this procedure combines the evaluation of the fastest flocculation rate with the calculation of several stability ratios. This methodology was already tested in systems which exhibit low repulsive barriers for primary minimum flocculation. In this article, the procedure is modified in order to calculate an average rate for secondary minimum flocculation. The technique is then used to estimate the influence of drop deformation on the aggregation rate of hexadecane-in-water nano-emulsions stabilized with sodium dodecylsulfate (SDS).

研究动机与目标

• 解决在具有高且不可逾越的排斥能垒的胶体系统中模拟絮凝的挑战。
• 将基于Fuchs理论的方法——此前仅用于一级最小值絮凝——扩展至二级最小值絮凝。
• 评估液滴形变对纳米乳液中聚集动力学的影响。
• 通过利用多次双粒子模拟，为全多粒子模拟提供一种计算高效的替代方案。
• 在真实的粒子间势能条件下，量化稳定性比和平均絮凝速率。

提出的方法

• 对Fuchs理论框架进行改进，通过重新校准速率评估过程，以包含二级最小值絮凝。
• 使用多次双粒子模拟，以在不同初始条件和构型下建模成对相互作用。
• 以几纳米的分辨率模拟粒子间势能，需采用短时间步长以捕捉快速动力学。
• 将多次双粒子模拟的结果合并，以估算系统整体的有效平均聚集速率。
• 将液滴形变效应纳入相互作用势能中，以评估其对絮凝的影响。
• 通过不同条件下聚集速率的比值计算稳定性比，以评估系统稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二级最小值区域存在不可逾越排斥势垒的系统中，絮凝速率如何被准确估算？
• RQ2 在SDS稳定的十六烷/水纳米乳液中，液滴形变在多大程度上影响聚集速率？
• RQ3 双粒子模拟方法能否有效从一级最小值絮凝扩展至二级最小值絮凝？
• RQ4 从双粒子模拟中得出的稳定性比与全多粒子模拟的结果相比如何？
• RQ5 在该类系统中，使用双粒子模拟相比直接的多粒子模拟具有何种计算优势？

主要发现

• 改进的双粒子模拟方法成功估算出具有高排斥势垒的系统中二级最小值絮凝的平均絮凝速率。
• 液滴形变显著提高了SDS稳定的十六烷/水纳米乳液中的聚集速率，表明其在去稳定化过程中具有不可忽视的作用。
• 与全多粒子模拟相比，该方法在显著降低计算成本的同时实现了可靠结果。
• 从双粒子方法计算出的稳定性比与二级最小值絮凝的理论预期具有良好一致性。
• 即使由于强排斥势垒导致一级最小值在能量上不可达，该方法仍能准确估算絮凝速率。
• 通过与已有文献数据对比，该方法得到验证，并在不同粒子间势能参数下表现出强鲁棒性。