[解析事例] DPDによる界面張力の評価
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粗視化分子シミュレーションを用いた界面張力の計算
目的と手法
水とオクタン間の界面張力をDPDを用いて計算しました。オクタンはDPD粒子３個で表現し、水は1DPD粒子で表現しました。各粒子の体積は水分子3個分としたため、基準体積Vbeadは54.3[cm^3/mol]となり、系の数密度（ρ=3）から基準長さRcは6.46[Å]となります。
各球に与える斥力パラメータaは全原子モデルのMD計算から求めた溶解度パラメータδ(表1)から以下の式をもちいて算出し、水/オクタン粒子間は aij=120.1 としました。なお同種粒子間は aii=25 としました。
| 物質 | V [cm^3/mol] |
δMD [(J/cm^3)^(1/2)] |
δexp[1] [(J/cm^3)^(1/2)] |
|---|---|---|---|
| water | 18.1 | 52.6 | 47.9 |
| octane | 162.6 | 16.0 | 15.6 |
解析結果
図1にDPD粒子による水/オクタン界面のモデルを示します。DPD粒子は水分子が3000個、オクタン分子は1000個とし、界面を形成するように配置後「COGNAC」により計算を行いました。緩和後も界面は維持されており、各方向のストレス値から界面張力を以下の式により算出しました。なお基準長さを用いて界面張力の有次元化を行っています。以上の計算により、水/オクタン間の界面張力は 50.1[dyn/cm]と評価されました。実験値の 51.7[dyn/cm][1]と比較して良好な結果といえます。
図1. 界面のモデル
(上部が水領域、下部がオクタン領域)
図2. 界面張力の時間変化
なお図3に、このモデルにおける界面張力の aij 依存性を示します。aij>30 において二相に分離し、aij の増加とともに界面張力が増加することがわかります。
図3. 界面張力とaijの関係
- ●参考文献
- [1] A.Maiti and S. McGrother, J. Chem. Phys., 120, 3, 15 (2004)
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