TP-A4
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:
- Tropfenverdampfung in Folge einer plötzlichen Änderung des Umgebungszustands
- 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.
Publikationen
2021
Tianhang Zhuo, Hari Krishna Chilukoti, Zhenghao Wu, Florian Müller-Plathe:
Effect of Defects on the Interfacial Thermal Conductance between n-Heneicosane in Solid and Liquid Phases and a Graphene Monolayer
J. Phys. Chem. C 2021, 125, 14149–14162
DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04676
Eunsang Lee, Hari Krishna Chilukoti, Florian Müller-Plathe:
Suppressing the rebound of impacting droplets from solvophobic surfaces by polymer additives: polymer adsorption and molecular mechanisms
Soft Matter, 2021, 17, 6952-6963
DOI: 10.1039/D1SM00558H
Lee, H. K. Chilukoti, and F. Müller-Plathe:
Rebound suppression of a droplet impacting on a supersolvophobic surface by a small amount of polymer additives
ACS Macro Lett. 10, 192−196 (2021)
DOI: 10.1021/acsmacrolett.0c00808
2020
Surblys, F. Müller-Plathe, and T. Ohara:
Dry-surface 法による遮蔽クーロン相互作用を有する系の固液界面の付着仕事算出 (Computing the work of adhesion of solid-liquid interfaces in systems with damped Coulomb interactions via the dry-surface method)
日本流体力学会年会 (The Japan Society of Fluid Mechanics annual meeting) Yamaguchi University, 18-20 Sep 2020.
2019
K. Chilukoti, T. Zhou, V. R. Ardham, M. C. Böhm, and F. Müller-Plathe:
Thermal Energy Transport across the Interface between Phase Change Material n-Heneicosane in Solid and Liquid Phases and Few-Layer Graphene
J. Phys. Chem. C 123, 29192–29202 (2019)
DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b07054
2018
K. Chilukoti, F. Müller-Plathe, and H. Yang:
Application of Reverse Non-equilibrium Molecular Dynamics to the Calculation of the Mutual Diffusion Coefficient of Alkane Mixtures
J. Phys. Chem. B 122, 9210−9217 (2018)
DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b06886
Surblys, F. Leroy, Y. Yamaguchi, and F. Müller-Plathe:
Molecular dynamics analysis of the influence of Coulomb and van der Waals interactions on the work of adhesion at the solid-liquid interface
J. Chem. Phys. 148, 134707 (2018)
DOI: 10.1063/1.5019185
2017
Han, S. Mérabia, and F. Müller-Plathe:
Thermal transport at solid-liquid interface: From the increase of thermal resistance towards the shift of rapid boiling
Nanoscale 9, 8314−8320 (2017)
DOI: 10.1039/C7NR01215B
Han, C. Schlawitschek, N. Katyal, P. Stephan, T. Gambaryan-Roisman, F. Leroy, and F. Müller-Plathe:
Solid-liquid interface thermal resistance affects the evaporation rate of droplets from a surface: A study of perfluorohexane on chromium using molecular dynamics and continuum theory
Langmuir 33, 5336–5343 (2017)
DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b01410
Jiang, F. Müller-Plathe, and A.Z. Panagiotopoulos
Contact Angles from Young’s Equation in Molecular Dynamics Simulations
J. Chem. Phys. 147, 084708 (2017)
DOI: 10.1063/1.4994088
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
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).
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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