Molecular Dynamics Simulation Study of Lennard-Jones Fluid

Abstract

우리는 낮은 밀도의 Lennard-Jones (LJ) 유체가 상분리를 할 때, 어떤 메커니즘으로 일어나는지 전산모사 연구를 통해 연구하였다. CHAPTER I 에서는 기체상에서 액체 방울이 형성되는 것을 모델링 하기 위해 분자동역학 (MD) 전산모사를, 용액상에서 응집되는 것을 모델링 하기 위해 브라운 동역학 (BD) 전산모사가 사용되었다. 두 전산모사법을 비교해봤을때, 우리는 도메인 형성 메커니즘이 정성적으로 다른 것을 발견하였다. MD에서는 클러스터 확산과 합병에 의해 클러스터가 자라는 반면, BD에서는 Ostwald ripening가 주요 메커니즘인 것으로 나타났다. CHAPTER II에서는 고분자 네트워크 안에서 LJ 유체의 MD 전산모사 실험을 수행하였다. 고분자 네트워크가 LJ 유체의 상분리에 미치는 영향을 알기 위해 네트워크의 빽빽함 정도를 조절하면서 실험을 수행하였다. 놀랍게도 고분자 네트워크의 매쉬크기에 따라 도메인 형성 메커니즘이 달라지는 것을 관찰되었다. 메쉬크기가 작은 고분자 네트워크에서는 네트워크의 장애물 효과에 의해 확산이 느려지고 Ostwald ripening에 의해 클러스터가 자라는 반면, 중간 메쉬크기의 네트워크 하에서는 초기에 클러스터 융합 메커니즘에 의해 도메인들이 형성되고 그 이후에는 메쉬안에 클러스터가 갖히게 되어 Ostwald ripening에 의해 상분리가 일어난다. 마지막으로 메쉬크기가 비교적 큰 네트워크하에서는 상분리가 오직 클러스터 융합에 의해서 일어나며 이는 네트워크가 없을 때와 매우 흡사한 결과이다.;We present a simulation study on the mechanisms of a phase separation in dilute fluids of Lennard-Jones (LJ) particles as a model of self-interacting molecules. In CHAPTER I, Molecular dynamics (MD) and Brownian dynamics (BD) simulations of the LJ fluids are employed to model the condensation of a liquid droplet in the vapor phase and the mesoscopic aggregation in the solution phase, respectively. As a result of comparing two different simulation methods, we find that the growth mechanisms can be qualitatively different: cluster diffusion and coalescence in the MD simulations and Ostwald ripening in the BD simulations. In CHAPTER II, we perform MD simulations of LJ fluids inside a polymer network to understand the effect of polymer network to phase separation in dilute LJ fluids with varying the compactness of a polymer network. Interestingly, it is found that cluster growth mechanisms are different by various mesh sizes of polymer network. With relatively small mesh sizes, due to the obstruction effect of polymer network, the diffusion of clusters becomes slower and clusters grow by the Ostwald ripening. Whereas, with the intermediate mesh sizes, domain formation occurs by diffusion-coalescence at early times then clusters are entrapped by mesh so that they grow by the Ostwald ripening at later times. With relatively large mesh sizes, phase separation of LJ fluid is similar to that in bulk. They occurs by only diffusion-coalescence.