Gezien hoe wrijving wordt gemaximaliseerd wanneer vloeistoffen op nanoschaal stromen

Een dwarsdoorsnede van simulaties van verschillende stromingstypes met zuigers op verschillende posities. Credit: Het European Physical Journal E (2022). DOI: 10.1140/epje/s10189-022-00208-z

De dynamiek van hoe vloeistoffen zich gedragen wanneer ze zijn opgesloten in een ruimte ter grootte van nanoschaal, zoals nanokanalen, nanobuisjes of nanoporiën, is de sleutel tot het begrijpen van een schat aan processen, waaronder smering, filtratie en zelfs energieopslag.

De dynamiek van vloeistoffen op nanoschaal is echter anders dan het gedrag in opsluiting op macroschalen. Een van de belangrijkste verschillen die schaalvermindering veroorzaakt, is wrijving en afschuiving tussen de vloeistof en de vaste houder. En verdere complicaties doen zich voor in systemen met vast-op-vast contact met eigenschappen zoals slijtage, micro-pitting en scuffing.

Een nieuw artikel gepubliceerd in Het European Physical Journal E en geschreven door Shan Chen, van het State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites aan de Beijing University of Chemical Technology, China, gebruikt simulaties van moleculaire dynamica om te kijken naar de wrijvingsgeïnduceerde nano-beperkte vloeistoffen.

De simulatie is gemaakt met behulp van de Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS), die het onderzoek vergemakkelijkte naar hoe de eigenschappen van een ingesloten vloeistof samen de wrijvingskracht tussen een vloeistofkolom en vaste substraten beïnvloeden. De auteurs beschouwden drie verschillende stromingstypes en beoordeelden hoe deze veranderden met de vloeistofsnelheid.

Het team simuleerde stromen van Lennard-Jones (LJ) kettingachtige vloeistof ingekapseld in een solide cilindrische nanoporie met atomair gladde oppervlakken. Om het effect van vast/vast contact op vloeistof/vaste wrijving te repliceren, introduceren de auteurs modelgeometrieën via zuigers.

Een van deze zuigers was aan de linkerkant van de opgesloten vloeistof geplaatst en zorgde voor een drijvende kracht die de vloeistofkolom duwde, terwijl de zuiger aan de rechterkant vrij beweegbaar was.

De resulterende simulatie onthult het bestaan ​​van een voorheen niet overwogen variabele – moleculaire verstopping – op vloeistof/vaste wrijving. Dit ontstaat in de sterk opgesloten vloeistof, zeggen de onderzoekers, van het eerder genoemde vaste naar vaste contact.

Dit resulteert in een gewijzigde stroomverdelingskenmerken van plug- en Poiseuille-stroom – de vloeistofstroom tussen twee oneindig lange parallelle platen – die op nanoschaal anders is dan de standaard Poiseuille-stroom die op macroschaal wordt waargenomen.