N202 002 32/0090

Streszczenie projektu: Fizyka inspirowana nano-technologią: parowanie i kondensacja w
skali atomowej
Celem programu badawczego jest zbadanie zjawiska parowania kropli cieczy z
wykorzystaniem symulacji atomowych. Z parowaniem mamy do czynienia w wielu skalach
długości: od makroskali (stykamy się z tym procesem na co dzień w skali milimetrów i
metrów), do nanoskali (np. zrozumienie i kontrola procesów parowania ma duże znaczenie w
nanotechnologii). Mimo—wydawałoby się—podstawowej natury tego zjawiska pozostaje ono
nie w pełni zrozumiane.
Od ponad 130 lat do opisu szybkości procesu parowania kropli cieczy wykorzystuje się
koncepcję Maxwella, w myśl której proces ten limitowany jest transportem masy, a nie
przepływem ciepła. Zgodnie z tą koncepcją szybkość procesu parowania jest proporcjonalna do
współczynnika dyfuzji cząsteczek na powierzchni kropli cieczy, Ds. Wielkość ta nie jest dobrze
zdefiniowaną wielkością fizyczną, gdyż zmienia się o 3 rzędy wielkości na odległościach rzędu
szerokości powierzchni rozdziału faz ciecz-para (1 nm) i co więcej, nie jest mierzalna.
W 2005 roku [http://www.ichf.edu.pl/diffuse-interface/index.html] rozwiązaliśmy
(V.Babin i R.Hołyst) numerycznie hydrodynamiczny model parującej kropli w skali czasu od 1
ps do 1 s dla układu o rozmiarach 1 m na siatce o rozmiarach 0.5 nm. Przy tym nie
zakładaliśmy żadnych warunków brzegowych na powierzchni parującej kropli, tzn.
powierzchnia rozdziału faz była częścią układu i nie występował u nas problem zszywania
rozwiązań uzyskanych oddzielnie w parze i w cieczy na powierzchni rozdziału faz. Są to jedne
z pierwszych na świecie rozwiązania równań hydrodynamiki w układzie dwufazowym.
Okazało się, że—sprzecznie z ogólnie przyjętymi teoriami fenomenologicznymi—proces
parowania jest limitowany przepływem ciepła a nie dyfuzją masy. Nasze wyniki
numeryczne opisaliśmy następującą analityczną zależnością :
R 2 t   R 2 (t  0)  t
2 v
Tw  Tl  ,
H  nl
gdzie R(t) jest promieniem kropli w funkcji czasu, Tw i Tl oznaczają odpowiednio temperatury
ścianek naczynia i kropli cieczy,  v jest przewodnictwem cieplnym pary w temperaturze Tl , H
oznacza entalpię parowania na cząsteczkę w temperaturze Tl , a n l jest gęstością cieczy o
temperaturze Tl .
Celem programu badawczego jest sprawdzenie powyższego wzoru w skali nanometrów
w symulacjach płynu Lennarda-Jonesa metodą dynamiki molekularnej. Analiza zmian
parametrów termodynamicznych (gęstość, temperatura) w funkcji czasu pozwoli odpowiedzieć
na pytanie, jaki proces limituje szybkość parowania kropli cieczy w nanoskali. Połączenie
danych z hydrodynamiki z naszych prac z symulacjami atomowymi, pozwoli na analizę
procesu parowania w skali od 0,1 nm do 103 nm i w czasach od 10 fs do 1 s . Skala atomowa
pozwala na analizę ekstremalnych gradientów temperatury. Podgrzewanie kropli o 200 K w
skali 20 nm daje gradient równy 1010 K/m. Czy przy takich gradientach temperatury parowanie
nadal będzie limitowane przepływem ciepła? Niewątpliwie do takich zjawisk należy parowanie
cieczy i kondensacja pary. W ramach projektu wykonamy symulacje dynamiki molekularnej
płynu Lennarda-Jonesa parującej kropli cieczy o początkowych rozmiarach około 10 nm w
naczyniu o rozmiarach około 50 nm, w którym podgrzewamy ścianki naczynia do zadanej
temperatury powyżej temperatury krytycznej płynu. Podobne symulacje wykonamy dla procesu
kondensacji bąbelka pary w cieczy.
Istnieje wiele zjawisk obserwowanych w skali makroskopowej, których przebieg w
skali atomowej nie jest znany. Oprócz znaczenia o charakterze podstawowym, wyniki
naszych badań mogą znaleźć zastosowane w nano-technologiach, które wymagają
zrozumienia procesów w nano-skali. Dla przykładu, pokazaliśmy, że w trakcie kondensacji
bąbelka pary argonu, w naczyniu o temperaturze, Tw , powstaje fala dźwiękowa, która,
kumulując się, podnosi temperaturę we wnętrzu bąbelka do 6Tw w czasie pierwszych 50 ps
procesu. Dla Tw =300 K otrzymamy temperaturę 1800 K w środku bąbelka. Tym samym
kondensujący bąbelek może być użyty jako ultra szybki nano-reaktor chemiczny w otoczeniu
o temperaturze pokojowej.