TY - CHAP

T1 - Вычисление краевого угла сидячей капли на лиофильных и лиофобных плоских поверхностях методом молекулярной динамики

AU - Половинкин, Михаил Сергеевич

AU - Волков, Николай Александрович

AU - Татьяненко, Дмитрий Викторович

PY - 2024/4/6

Y1 - 2024/4/6

N2 - Исследование смачивания поверхностей жидкостями необходимо для создания новых материалов с заданными свойствами и практического применения таких материалов. Также изучение смачивания оказывается важным в процессах нефтедобычи, поскольку характеризует взаимодействие нефти с породой. Одним из ключевых параметров, определяющих смачивание, является краевой угол капли, которую флюид образует на поверхности. Краевой угол может быть исследован как в рамках теоретических подходов к описанию взаимодействия поверхности с жидкостью, так и измерен экспериментально. Однако, для ряда систем теоретический анализ может оказаться крайне сложным, а эксперимент — невозможным или слишком дорогим в заданных условиях. Развитие вычислительных технологий приводит ко все большему распространению компьютерного эксперимента, в частности, молекулярного моделирования методами функционала плотности, Монте-Карло и молекулярной динамики. Молекулярное моделирование позволяет исследовать интересующую систему в заданных условиях и получать для неё структурные свойства и термодинамические средние. Данная работа посвящена вычислению краевых углов сидячих капель на плоских поверхностях с различной степенью смачиваемости. Были получены зависимости краевого угла от температуры, размеров капли и силы взаимодействия молекул жидкости с поверхностью (подложкой). Полученная зависимость краевого угла от размера капли позволила определить величину линейного натяжения с помощью обобщенного уравнения Юнга.Для проведения моделирования был использован программный пакет GROMACS 2022.5. Были выбраны следующие системы для исследования: сидячая капля аргона в присутствии непроницаемой стенки, взаимодействующей с молекулами аргона согласно потенциалу Стила (потенциал «9-3»), сидячие капли воды на подложках из графита и кристобалита (SiO₂). В качестве модели воды использовалась полноатомная модель TIP3P [4]. Модели подложек из графита и кристобалита были созданы с использованием силового поля INTERFACE FF. В рамках работы были разработаны компьютерные программы, которые на основе полученных молекулярно-динамических траекторий различными способами вычисляют краевой угол. Выделение капель флюида из газовой фазы производилось при помощи алгоритма кластеризации DBSCAN. Краевой угол сидячей капли вычислялся в предположении о том, что форма капли представляет собой усеченную сферу. Нами были проанализированы как мгновенные молекулярные конфигурации, так и усреднённые трёхмерные профили плотности. Выбор разделяющей поверхности жидкость–пар на основании профиля плотности проводился двумя различными методами: на основе предельного значения плотности жидкой фазы и при помощи анализа градиентов фильтрами Собеля. Поверхность капли аппроксимировалась сферой, вычисление краевого угла проводилось исходя из параметров сферы.Проведена серия расчётов для систем, включающих капли аргона и воды на подложках в разных условиях. Моделирование проводилось в каноническом статистическом ансамбле. Были проанализированы профили плотности сидячих капель, отмечено наличие слоистой структуры жидкости вблизи поверхности. Проведено варьирование параметров взаимодействия подложек с флюидами, что позволило получить поверхности с различной смачиваемостью и, как следствие, различные краевые углы сидячих капель. Моделирование систем и вычисление краевых углов проводилось при различных температурах. Наблюдалось уменьшение краевого угла при увеличении температуры, что согласуется с теоретическим предсказанием о переходе к смачиванию при росте температуры. Также получена зависимость краевого угла от размера в области очень малых капель (размером 3–20 нм).Зависимость косинуса краевого угла капли от кривизны линии контакта была использована для определения краевого угла капли бесконечного размера (макроскопической капли) и линейного натяжения в системе. Нами получено значение линейного натяжения воды 1,49·10⁻¹¹ Дж/м.

AB - Исследование смачивания поверхностей жидкостями необходимо для создания новых материалов с заданными свойствами и практического применения таких материалов. Также изучение смачивания оказывается важным в процессах нефтедобычи, поскольку характеризует взаимодействие нефти с породой. Одним из ключевых параметров, определяющих смачивание, является краевой угол капли, которую флюид образует на поверхности. Краевой угол может быть исследован как в рамках теоретических подходов к описанию взаимодействия поверхности с жидкостью, так и измерен экспериментально. Однако, для ряда систем теоретический анализ может оказаться крайне сложным, а эксперимент — невозможным или слишком дорогим в заданных условиях. Развитие вычислительных технологий приводит ко все большему распространению компьютерного эксперимента, в частности, молекулярного моделирования методами функционала плотности, Монте-Карло и молекулярной динамики. Молекулярное моделирование позволяет исследовать интересующую систему в заданных условиях и получать для неё структурные свойства и термодинамические средние. Данная работа посвящена вычислению краевых углов сидячих капель на плоских поверхностях с различной степенью смачиваемости. Были получены зависимости краевого угла от температуры, размеров капли и силы взаимодействия молекул жидкости с поверхностью (подложкой). Полученная зависимость краевого угла от размера капли позволила определить величину линейного натяжения с помощью обобщенного уравнения Юнга.Для проведения моделирования был использован программный пакет GROMACS 2022.5. Были выбраны следующие системы для исследования: сидячая капля аргона в присутствии непроницаемой стенки, взаимодействующей с молекулами аргона согласно потенциалу Стила (потенциал «9-3»), сидячие капли воды на подложках из графита и кристобалита (SiO₂). В качестве модели воды использовалась полноатомная модель TIP3P [4]. Модели подложек из графита и кристобалита были созданы с использованием силового поля INTERFACE FF. В рамках работы были разработаны компьютерные программы, которые на основе полученных молекулярно-динамических траекторий различными способами вычисляют краевой угол. Выделение капель флюида из газовой фазы производилось при помощи алгоритма кластеризации DBSCAN. Краевой угол сидячей капли вычислялся в предположении о том, что форма капли представляет собой усеченную сферу. Нами были проанализированы как мгновенные молекулярные конфигурации, так и усреднённые трёхмерные профили плотности. Выбор разделяющей поверхности жидкость–пар на основании профиля плотности проводился двумя различными методами: на основе предельного значения плотности жидкой фазы и при помощи анализа градиентов фильтрами Собеля. Поверхность капли аппроксимировалась сферой, вычисление краевого угла проводилось исходя из параметров сферы.Проведена серия расчётов для систем, включающих капли аргона и воды на подложках в разных условиях. Моделирование проводилось в каноническом статистическом ансамбле. Были проанализированы профили плотности сидячих капель, отмечено наличие слоистой структуры жидкости вблизи поверхности. Проведено варьирование параметров взаимодействия подложек с флюидами, что позволило получить поверхности с различной смачиваемостью и, как следствие, различные краевые углы сидячих капель. Моделирование систем и вычисление краевых углов проводилось при различных температурах. Наблюдалось уменьшение краевого угла при увеличении температуры, что согласуется с теоретическим предсказанием о переходе к смачиванию при росте температуры. Также получена зависимость краевого угла от размера в области очень малых капель (размером 3–20 нм).Зависимость косинуса краевого угла капли от кривизны линии контакта была использована для определения краевого угла капли бесконечного размера (макроскопической капли) и линейного натяжения в системе. Нами получено значение линейного натяжения воды 1,49·10⁻¹¹ Дж/м.

KW - сидячая капля

KW - краевой угол

KW - смачивание

KW - фильтры Собеля

KW - Молекулярно-динамическое моделирование

KW - линейное натяжение

M3 - тезисы в сборнике материалов конференции

SP - 115

EP - 115

BT - Материалы 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ (01 апреля - 06 апреля 2024 года)

T2 - 66-ая Всероссийская научная конференция МФТИ

Y2 - 1 April 2024 through 6 April 2024

ER -