Understanding complex fluids on a molecular scale

Abstract

우리는 실험으로 관찰하기 힘든 분자 수준에서의 메커니즘을 밝히기 위해 Molecular dynamics simulation을 수행하여 복합 유체 시스템의 여러 메커니즘을 밝혔다. 첫째로 얼음의 비등방적인 성장을 분자 수준에서 이해하기 위해 세 종류의 면에 물과 얼음을 접하고 관찰하여 얼음의 anisotropic growth와 stacking disorder를 동역학적 관점에서 설명했다. 그 결과, basal face에서만 육각형 얼음과 입방형 얼음이 경쟁하며 자랐으며 이러한 현상이 성장 속도와 disordered phase를 만드는 데에 기여하는 것을 알 수 있었다. 물 분자들이 적층을 통해 얼음 표면에서 얼음 결정을 형성하는 과정을 이해함으로써, 다양한 종류의 결정이 동시에 자랄 수 있는 결정체가 성장하는 과정을 이해하는 데에 기반 지식을 쌓을 수 있었다고 생각한다. 둘째, 입자들의 상분리 현상이 고분자 네트워크에 의해 어떠한 영향을 받는 지 연구하기 위해 다양한 망 크기의 고분자 네트워크 내에 입자들을 넣은 후, 여러 온도에서 상분리 현상을 관찰하였다. 네트워크의 망이 작아질수록 입자들의 결합체 형성이 지연되었으며, 이런 지연 현상은 온도를 낮출 경우 없어지는 것을 알 수 있었다. 이는 고분자 네트워크가 그 excluded volume이 커짐에 따라 일정 크기의 결합체의 형성을 방해하는 데에 효과적이고 이 현상을 이용한다면 손쉽게 합성할 수 있는 여러 종류의 고분자 네트워크를 에멀전이나 콜로이드 시스템을 활용하는 산업 분야에 적극 이용할 수 있다고 생각한다.;Our observations on a molecular scale for complex fluids may contribute to many kinds of scientific interests fundamentally. First, we study the structural competition between hexagonal and cubic ices during ice growth by Molecular dynamics (MD) simulations. When water molecules stack on the surface of the basal face, unlike on the others, the molecules tend to arrange as hexagonal and cubic ices at the same time in a single layer. We observed that this competition makes the speed of ice growth on the basal face slower and the minor structure remains as disordered region due to the overlying major structure. In addition, we studied the obstruction effect of a polymer network to the phase separation of LJ fluids. We put the LJ fluids inside of the network and observed how the LJ particles separate into multi phase. Various kinds of the polymer network were used and the size of the mesh of the network is critical to make the difference of the phase separation of LJ particles. If the mesh size is smaller than the critical nucleus size, then the phase cannot be separated. From these phenomena, we noticed that the phase separation in the polymer network differs from that of LJ particles in the absence of the network. Understanding complex fluids in a diverse condition on a molecular scale may elucidate stacking behavior of semiconductor, platinum nanoparticles and the effective way to control the stability of emulsion or colloidal system.