ナノスケールカーボンスリットのせん断駆動水流の流体力学的スリップ特性

このペーパーでは、非平衡分子動力学を使用して計算された水グラファイトインターフェイスの流体力学的スリップ長（LS）に対するせん断速度および界面モデリングパラメーターの影響について報告します。LSへの影響を評価するために、5つの異なる非結合固形液体相互作用パラメーターが考慮されました。界面力場の導出には、洗練された電子構造の計算情報と経験的に決定されたパラメーターが含まれていました。すべてのインターフェイスモデルは、適用されたせん断速度を変化させると、同様のバイモーダルLS応答を示しました。低せん断速度レジーム（LSR）のLSは、平衡分子動力学を通じて得られた以前の計算とよく一致しています。せん断速度が増加すると、LSは急激に増加し、高せん断領域（HSR）の一定の値に漸近値が増加します。LSRとHSRの両方のLSが密度の枯渇の長さによって特徴付けられるのに対し、固形液体接着メトリックがそうすることができなかったことは注目に値します。すべてのインターフェイスモデルで、LHSR計算は平均してLLSRよりも約28％大きく、このスリップジャンプはSPC/EおよびTIP4P/2005水モデルを使用して確認されました。LSRからHSRへのLSの移行に対処するために、水の粘度と界面摩擦係数を調査しました。LSRでは、粘度と摩擦係数が同様の速度で減少し、LSRからHSRへの遷移では、摩擦係数が新しい平衡に達するまでせん断粘度よりも速い速度で減少したため、摩擦係数が速度で減少し、したがって説明することが観察されました。LS-バイモダルの動作。この研究は、流体力学的スリップ挙動を理解する際のインターフェイスモデリングパラメーター、せん断速度、およびレオロジー特性との相互作用に関する貴重な洞察を提供します。

This paper reports on the effects of shear rate and interface modeling parameters on the hydrodynamic slip length (LS) for water-graphite interfaces calculated using non-equilibrium molecular dynamics. Five distinct non-bonded solid-liquid interaction parameters were considered to assess their impact on LS. The interfacial force field derivations included sophisticated electronic structure calculation-informed and empirically determined parameters. All interface models exhibited a similar and bimodal LS response when varying the applied shear rate. LS in the low shear rate regime (LSR) is in good agreement with previous calculations obtained through equilibrium molecular dynamics. As the shear rate increases, LS sharply increases and asymptotes to a constant value in the high shear regime (HSR). It is noteworthy that LS in both the LSR and HSR can be characterized by the density depletion length, whereas solid-liquid adhesion metrics failed to do so. For all interface models, LHSR calculations were, on average, ∼28% greater than LLSR, and this slip jump was confirmed using the SPC/E and TIP4P/2005 water models. To address the LS transition from the LSR to the HSR, the viscosity of water and the interfacial friction coefficient were investigated. It was observed that in the LSR, the viscosity and friction coefficient decreased at a similar rate, while in the LSR-to-HSR transition, the friction coefficient decreased at a faster rate than the shear viscosity until they reached a new equilibrium, hence explaining the LS-bimodal behavior. This study provides valuable insights into the interplay between interface modeling parameters, shear rate, and rheological properties in understanding hydrodynamic slip behavior.