بررسي رفتار ترشوندگي سطوح با استفاده شبيه سازي ديناميك مولكولي

Investigation of surface wettability behavior using molecular dynamics simulation

شبيه سازي ديناميك مولكولي يكي از تكنيك هاي محاسباتي كامپيوتري است كه براي بازسازي رفتار سيالات بر روي سطوح در مقياس مولكولي مي تواند به كار مي رود. در سال هاي اخير بررسي ترشوندگي نانوساختارها مانند گرافن و نانوذرات و نيز سطوح فلزي مورد توجه بسياري از پژوهشگران بوده است زيرا كنترل ترشوندگي روي سطوح، كاربردهاي زيادي در علوم مختلف به ويژه در ساخت سطوح هوشمند دارد. شبيه سازي ديناميك مولكولي مي تواند براي تكميل و يا تاييد داده هاي تجربي مربوط به برهم كنش سيال و سطح بستر مورد استفاده قرار گيرد. در بررسي ترشوندگي با رويكرد شبيه سازي ديناميك مولكولي، معمولا كميتهاي زير محاسبه مي گردند كه در كار حاضر شرح داده ميشوند. زاويه تماس، كشش سطحي، پروفايل دانسيته سيال بر سطح، تعداد پيوند هيدروژني، جهت گيري مولكولي، پارامتر نظم، انرژي برهمكنش سيال و سطح، و ضريب نفوذ. از بين كميتهاي فوق، دو كميت زاويه تماس و كشش سطحي از طريق تجربي نيز قابل اندازه گيري هستند و ميتوانند اطلاعات ارزشمندي راجع به پديده ترشوندگي ارائه دهند. با توجه به ميزان نيروي پيوستگي بين مولكول هاي آب و نيروي چسبندگي بين مولكول هاي آب و سطح، مقدار زاويه تماس و در نتيجه ترشوندگي سطح تحت تاثير قرار ميگيرد. در حالتي كه سطح داراي زبري است دو مدل اصلي ونزل و كسي باكستر براي توضيح رفتار قطره روي سطح ارائه شده است. در مدل ونزل مايع فضاي بين زبري هاي و فرورفتگي هاي سطح توسط سيال پر مي شود. از سوي ديگر، رفتار سيال در مجاورت سطح تا حد زيادي تحت تاثير ماهيت سطح قرار مي گيرد و تعيين كشش سطحي نقش مهمي در درك رفتار فوق بازي مي كند.

Molecular dynamics simulation is one of the computerized computational techniques that can be used to reconstruct the fluid behavior on surfaces from molecular scale. In recent years, many researchers have been interested in investigating the wettability of nanostructures such as graphene and nanoparticles as well as metal surfaces because the control of wettability on surfaces has many applications in various sciences, especially in the manufacture of smart surfaces. Molecular dynamics simulations can be used to complement or confirm experimental data on fluid-bed interaction. In the study of wettability by molecular dynamics simulation approach, the following quantities are usually calculated as described in the present work. Contact angle, surface tension, fluid density profile on the surface, hydrogen bond number, molecular orientation, order parameter, interaction energy between fluid and surface, and diffusion coefficient. Among the above quantities, the two quantities of contact angle and surface tension are also empirically measurable and can provide valuable information about the wettability phenomenon. Due to the amount of bonding force between the water molecules and the adhesion force between the water molecules and the surface, the amount of contact angle and consequently the surface wettability are affected. Where the surface is rough, two main Wenzel and Cassie Baxter models are presented to explain the drop behavior on the surface. In Wenzel´s model, the space between the surface roughness is filled by fluid. On the other hand, fluid behavior in the vicinity of the surface is greatly affected by the nature of the surface and the determination of surface tension plays an important role in understanding the above behaviors.