A method for describing systems of spherical droplets in vapor

Abstract

Det har lenge vært kjent at nanomaterialer har unike egenskaper som ikke observeres i materialer på større skala. Den unike oppførselen gjør også at nanosystemer ikke kan beskrives av de vanlige termodynamiske likningene, siden overflateeffekter dominerer og normalt ekstensive egenskaper oppfører seg annerledes. Molecular dynamics-simuleringer kan være viktige verktøy for å studere småskalasystemer, og se hvordan termodynamiske egenskaper varierer med systemstørrelse.

I denne oppgaven lagde vi molecular dynamics-simuleringer av en spesiell type småskalasystem, bestående av en væskedråpe i likevekt med en gassfase. En metode for å klassifisere dråpe-gassystemer, kalt Voronoi density-neighbor-metoden, ble brukt til å definere væske-, gass- og overflatefasene til systemene. Termodynamiske egenskaper for hver fase ble beregnet, og deres endring med forskjellig dråpestørrelse ble undersøkt.

Vi fant at de termodynamiske egenskapene til hvert system endres lineært med invers radius, som stemmer med småskalahypotesen. Overflatespenningen til systemene ser ut til å være uavhengig av overflatekrummingen, og kan beskrives av Young-Laplace-likningen. Vi har demonstrert at Voronoi density-neighbor-metoden kan brukes til å regne ut antall dråper tilstede i et flerdråpesystem. Alt i alt gir Voronoi density-neighbor-metoden en god beskrivelse av dråpe-gassystemer.

Nanoscale materials have long been known to have unique properties not found in bulk materials. The unique behavior of nanoscale systems also means they can't be described by standard thermodynamic equations, as surface effects become prominent and normally extensive properties behave differently. Molecular dynamics simulation can be a great tool for studying small scale systems, and determining their thermodynamic properties and how they change with system size.

In this thesis, molecular dynamics simulations of a certain kind of small scale system consisting of a droplet surrounded by vapor were performed. A method for classifying droplet-vapor systems called the Voronoi density-neighbor method was utilized to define the liquid, vapor and surface phases of each system. Thermodynamic properties of each phase of each system were calculated, and their change with droplet size was investigated.

It was found that the thermodynamic properties of each system scale roughly linearly with inverse droplet size, in agreement with the small-scale hypothesis. The surface tension of the systems appears to be independent of surface curvature, and therefore obeys the Young-Laplace equation. It has been demonstrated that the Voronoi density-neighbor method can be used to calculate the number of droplets present in a multi-droplet system. Overall, the Voronoi density-neighbor method appears to give a good description of droplet-vapor systems.