Nanofluidika je področje znanosti, ki preučuje dinamiko tekočin na nanoskali. Zanimanje zanjo v zadnjih letih raste zaradi zanimivih fizikalnih pojavov na majhnih skalah, kot je na primer hiter pretok tekočin skozi kanale velikostnega reda nanometra. Razvoj računalniške znanosti in tehnologije v preteklih letih omogoča učinkovito študiranje materije na nanoskali. V tej doktorski disertaciji bomo študirali tekočine na nanoskali z uporabo računalniških simulacij. Disertacija je razdeljena v dva dela. V prvem delu študiramo tok tekočin mimo in skozi objekte z velikostjo reda nanometra. V drugem delu pa študiramo ohranitvene enačbe za polimerne verige in sklopitev fluktuacij gostote in orientacijskega reda.
Široko uporabljen pristop k študiranju tekočin na nanoskali so simulacije molekulske dinamike. Simulacije molekulske dinamike so računsko zahtevne in pogosto zahtevajo uporabo superračunalnikov. Zato v tej doktorski tezi uporabimo kontinuumski pristop. Več raziskav je pokazalo, da so Navier-Stokesove enačbe lahko veljavne vse do nanoskale. Vendar na tako majhnih skalah, ko razmerje med površino in prostornino ni več majhno, postane dogajanje na površini pomembno. Zato standardni robni pogoj brez zdrsa, ki ga uporabimo na makroskali, ni ustrezen. Na nanoskali opazimo zdrs med tekočino in steno na njunem stiku. Za ustrezen opis zdrsa uporabimo Navierov robni pogoj, ki predpostavi linearno odvisnost strižne napetosti na stiku med tekočino in steno od relativne hitrosti med tekočino in steno. Parameter, ki določa Navierov robni pogoj, je zdrsna dolžina. Ta za ravne stene predstavlja globino, do katere moramo ekstrapolirati hitrostni profil tekočine, da bo ta enak nič.
Izvajamo simulacije računske dinamike tekočin mimo sferičnih molekul in skozi ogljikove nanocevke, kjer uporabimo Navierov robni pogoj. Značilnost toka vode skozi ogljikove nanocevke je velik zdrs. Posledica tega velikega zdrsa je energijska učinkovitost toka vode skozi nanocevke. Zaradi energijske učinkovitosti toka vode znotraj ogljikovih nanocevk pridejo do izraza energijske izgube v okolici koncev nanocevk. Študiramo energijske izgube v okolici koncev nanocevk in odvisnost teh energijskih izgub od zdrsne dolžine. Razvijemo model, ki opiše izvor odvisnosti energijskih izgub od zdrsne dolžine n pravilno napove obstoj optimalne zdrsne dolžine, kjer je izguba energije najmanjša.
V luči nedavnih odkritij fononskih načinov v ogljikovih nanocevkah pri toku vode skozi njih in posledičnem povečanju difuzije študiramo vpliv oscilirajočih sten nanocevk na tok tekočin skozi njih. Da bi ustrezno proučili vpliv oscilacij na difuzijo, uporabimo fluktuirajočo hidrodinamiko, kjer v Navier-Stokesove enačbe vključimo termične fluktuacije. Diferencialne enačbe rešimo za primer toka vode skozi dolgo oscilirajočo nanocevko in izpeljemo difuzijsko konstanto vode. Dobljena difuzijska konstanta nam pokaže, da oscilacije sten nanocevk ne vplivajo na difuzijo vode v nanocevki.
V drugem delu teze študiramo ohranitvene zakone polimernih verig. V talinah polimernih verig so defekti orientacijskega reda in gostote tesno povezani. Ta povezava je izražena v kontinuitetni enačbi, ki je vektorske oblike. To predstavlja problem za apolarne verige, ki jim ni mogoče enolično določiti smeri. V primeru dolgih polimernih verig, ki se prepogibajo, to predstavlja problem, ker prisotnost pregibom zmanjša polarni red, medtem ko se nematski red ohranja. Izvajamo simulacije Monte Carlo talin polimernih verig v nematični fazi. S simulacijami pokažemo, da z uvedbo »popravljenega polarnega reda« kontinuitetna enačba velja tudi v prisotnosti pregibov polimernih verig. Na koncu raziščemo tenzorski ohranitveni zakon, ki je osnovan na kvadrupolnem redu. V primeru pregibanj polimernih verig se kvadrupolni red, za razliko od polarnega, ohranja in je zato tenzorski ohranitveni zakon za apolarne verige primernejši od vektorskega. Izvajamo simulacije Monte Carlo talin polimernih verig v izotropni fazi. V simulacijah odkrijemo prve indikacije fenomenov, ki so posledica tenzorskega ohranitvenega zakona.
|