Численное моделирование диффузии в нанодисперсных системах

А.А. Белкин (Новосибирск)

Сегодня уже очевидно, что для изучения диффузии наночастиц в конденсированных средах необходима информация микроскопического характера об их движении и взаимодействии со средой. Актуальность этой проблемы вызвана растущим применением фуллеренов, наночастиц в наукоемких производствах. В то же время традиционные теории оказываются некорректными для описания столь малых объектов. Так в экспериментах обнаружено, что коэффициенты диффузии крупных молекул и фуллеренов в жидких растворителях существенно превышают значения, предсказываемые законом Стокса-Эйнштейна [1]. Незаменимым инструментом получения упомянутой выше информации становится прямое численное моделирование.

Целью настоящей работы являлось исследование физических явлений, вызывающих второй экспоненциальный участок релаксации скорости наночастиц, впервые обнаруженный в численных расчетах [2,3]. В работе изучается взаимодействие наночастицы и микрофлуктуаций несущей среды. Использовался метод молекулярной динамики для модели твердых гладких сфер в ячейке с периодическими граничными условиями. Расчетами в равновесных и неравновесных системах подтверждено, что затухание скорости наночастицы на больших временах определяется флуктуациями, которая она сама ранее порождает при движении. Обнаружено, что пространственно-временные корреляционные функции скорости наночастицы и молекул окружения могут иметь один или два максимума. Первый из них связан с распространением звуковой волны в среде. Второй максимум для массивных частиц больше первого и по величине, и по временной протяженности, его причиной являются многократные столкновения. Исследованные эффекты значительно влияют на поведение автокорреляционной функции скорости, а следовательно и на коэффициент диффузии наночастицы. В расчетах было обнаружено, что коэффициент диффузии может на 30—50% превышать значения, предсказываемые известными теориями.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 00-15-96164, № 01-01-00045, № 02-01-06333).

 

1. Kato T., Kikuchi K., Achiba Y. // J. Phys. Chem. 1993. Vol. 97. No. 40. P. 10251-10253.

2. Рудяк В.Я., Харламов Г.В., Белкин А.А. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып. 13. С. 29-36.

3. Рудяк В.Я., Харламов Г.В., Белкин А.А. // ТВТ. 2001. Т. 31. No. 2. С. 283-291.