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Molekulardynamische Simulation der Tropfenverdampfung im Bereich nichtlinearer Antwort

Beschreibung

Die Untersuchung molekularer Prozesse beim Wärme- und Stoffübergang wird zunehmend wichtig. Das Verständnis grundlegender Mechanismen beim Wärmeübergang, wie zum Beispiel Phasenübergänge, erfordert ein Wissen über Phänomene des Flüssig-Fest-Kontakts auf der Nanometer-Skala. Trotz vieler Anstrengungen, makroskopische Kontinuums-Beschreibungsweisen auf hinsichtlich Raum, Zeit oder Geschwindigkeit mikroskopische Situationen anzuwenden, finden derartige Extrapolationen schnell ihre Grenzen. Beispielsweise ist die charakteristische Länge nahe einer 3-Phasen-Kontaktlinie so klein, dass sie in molekulare Dimensionen reicht und dass mikroskopische Modelle nötig sind, um unabhängige Informationen in Ergänzung zum makroskopischen Ansatz zu liefern. Molekulardynamik(MD)-Simulationen können diese Phänomene im Prinzip auf molekularer Skala untersuchen. Sie werden seit langem erfolgreich in der statistischen Mechanik und in vielen Bereichen der Chemie eingesetzt. Hier sollen sie methodisch erweitert werden, um die Verhältnisse beim Wärme- und Stoffübergang unter Extrembedingungen gezielt auf molekularer Ebene untersuchen zu können.

Dieses Teilprojekt soll MD-Simulationen mit großen Teilchenzahlen verwenden, um Flüssigkeitstropfen von Submikrometergröße in homogener Umgebung sowie im Kontakt mit Oberflächen zu simulieren. Diese sollen systematisch Veränderungen ihres thermodynamischen Zustands bzw. Nichtgleichgewichtsbedingungen unterworfen werden. Die dadurch hervorgerufenen oder veränderten Verdampfungsraten, Wärmeübergangsraten usw. sollen analysiert werden, und zwar im linearen sowie im nichtlinearen Regime. Veränderungen des Zustands sollen plötzlich erfolgen und stationäre Nichtgleichgewichtssimulationen sollen bis weit in den nichtlinearen Antwortbereich reichen. Speziell für den Bereich weit vom Gleichgewicht und für die auftretenden Geometrien werden Nichtgleichgewichts-MD-Methoden angepasst, bzw. neu entwickelt werden müssen. Die Zielsetzung der Simulationen ist zum einen das Verständnis der unter Extrembedingeungen ablaufenden molekularen Prozesse, sowie die Ermittlung der entsprechenden quantitativen Kennzahlen wie z. B. Transportparameter oder Kontaktwinkel. Diese sollen anderen Partnern im SFB-TRR 75 zur Verwendung in Kontinuumsmodellen zugänglich gemacht werden.

Im Einzelnen sollen folgende Prozesse simuliert werden:

  1. Tropfenverdampfung in Folge einer plötzlichen Änderung des Umgebungszustands
  2. Tropfenverdampfung auf einer heißen Oberfläche und Verdampfung nahe der 3-Phasen-Kontaktlinie

Die Untersuchungen der ersten Förderperiode fokussieren sich auf MD-Simulationen der Verdampfung unter Extrembedingungen. Dabei sollen in der ersten Förderperiode nur Einkomponenten-Fluide untersucht werden. Eine Erweiterung auf mehrkomponentige und komplexe Flüssigkeiten sowie die Simulation des Tropfenaufpralls auf überhitzte Oberflächen bleibt späteren Förderperioden vorbehalten.

Team

Team A4

Prof. Dr. rer. nat. Florian Müller-Plathe

Prof. Dr. rer. nat. Florian Müller-Plathe

TP-Leiter A4 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-7393
Dr. Hari Krishna Chilukoti

Dr. Hari Krishna Chilukoti

A4 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 61511622613
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Publikationen

2017

J. Zhang, J. Milzetti, F. Müller-Plathe, and F. Leroy
Formation of Coffee-Stain Patterns at the Nanoscale: The Role of Nanoparticle Solubility and Solvent Evaporation Rate
J. Chem. Phys. 146, 114503 (2017). [DOI: 10.1063/1.4978284]

H. Han, S. Mérabia, and F. Müller-Plathe
Thermal transport at solid-liquid interfaces: high pressure facilitates heat flow through non-local liquid structuring
J. Phys. Chem. Lett. 8, 1946−1951 (2017). [DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00227]

2016

Metya, A.K., Singh, J. K., Müller-Plathe, F.:
Ice nucleation on nanotextured surfaces: Influence of surface fraction, pillar height and wetting states,
In: Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (2016) 26796–26806. [DOI:10.1039/C6CP04382H]

Yang, H., Zhang, J., Müller-Plathe, F.:
Extending reverse nonequilibrium molecular dynamics to the calculation of mutual diffusion coefficients in molecular fluid mixtures,
In: Mol. Sim. 42 (2016) 1379–1384. [DOI: 10.1080/08927022.2015.1114178]

2015

Yang, H., Zhang, J., Müller-Plathe, F., Yang, Y.:
A Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Method for Calculating the Mutual Diffusion Coefficient for Binary Fluids,
In: Chem. Eng. Sci. 130 (2015) 1–7. [DOI: 10.1016/j.ces.2015.03.006]

Leroy, F., Müller-Plathe, F.:
Dry-Surface Simulation Method for the Determination of the Work of Adhesion of Solid-Liquid Interfaces,
Langmuir 31 (2015) 8335–8345 (2015). DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b01394]

J. Zhang, F. Müller-Plathe, F. Leroy.
Pinning of the contact line during evaporation on heterogeneous surfaces: slowdown or temporary immobilization?
Insights from a nanoscale study, Langmuir, 2015, 31 (27), pp 7544-7552.

2014

Ramírez, R., Singh, J. K., Müller-Plathe, F., Böhm, M. C.:
Ice and water droplets on graphite: a comparison of quantum and classical simulations,
In: J. Chem. Phys. 141 (2014) 204701; featured article and issue front cover. [DOI: 10.1063/1.4901562]

Zhang, J., Leroy, F., Müller-Plathe, F.:
Influence of the contact-line curvature on the evaporation of nanodroplets from solid substrates,
In: Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 046101

Singh, J. K., Müller-Plathe, F.:
On the characterization of crystallization and ice adhesion on smooth and rough surfaces using molecular dynamics,
In: Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 021603. [DOI: 10.1063/1.4862257]

 

2013

Zhang, J., Leroy, F. , Müller-Plathe, F.
Evaporation of nanodroplets on heated substrates: A molecular dynamics study
Langmuir 29, 9770-9782 (2013)

Zhang, J., Müller-Plathe, F., Yahia-Ouahmed, M., Leroy, F.
A steady-state non-equilibrium molecular dynamics approach for the study of evaporation processes
The Journal of Chemical Physics 139, 134701 (2013)

2012

Leroy, F.; Müller-Plathe, F.
Can Continuum Thermodynamics Characterize Wenzel Wetting States of Water at the Nanometer Scale?
Journal of Chemical Theory and Computation, 2012

2011

Leroy, F.; Müller-Plathe, F.
Rationalization of the behavior of solid-liquid surface free energy of water in Cassie and Wenzel wetting states on rugged solid surfaces at the nanometer scale.
Langmuir The Acs Journal Of Surfaces And Colloids, 27(2), 637-645, 2011

2010

Leroy, F.; Müller-Plathe, F.
Solid-liquid surface free energy of Lennard-Jones liquid on smooth and rough surfaces computed by molecular dynamics using the phantom-wall method.
The Journal of Chemical Physics, 133(4), 044110, 2010

Sonntag, August 25, 2019