Večskalne simulacije tekočinskih tokov v nanomaterialih

Razvili bomo vecˇskalne tehnike racˇunskega modeliranja in z njimi simulirali tokove tekocˇin v nanosnoveh. Z racˇunalnisˇkimi simulacijami lahko sˇtudiramo take sisteme, kadar z njimi lahko opisˇemo dogajanje na atomisticˇni (red velikosti nanodelcev) in na makroskopski skali (kontinuumski tokovi). S simulacijami molekulske dinamike lahko dobimo vpogled v mikroskopsko dogajanje na meji med tekocˇino in nanodelcem, vendar pa z njimi ne moremo simulirati tekocˇine na makroskopski skali, saj bi bile te simulacije racˇunsko prevecˇ potratne. S kontinuumskim opisom, tj. z Navier-Stokesovimi enacˇbami, lahko simuliramo tokove na makroskopski skali, vendar pri tem izgubimo atomisticˇne detajle v blizˇini nanodelca in posledicˇno napacˇno opisˇemo tok okoli njega. Vecˇskalno modeliranje sklopi oba opisa, kar omogocˇa obravnavo takocˇine na makroskopskem nivoju in hkrati tudi pravilno dolocˇitev robnega pogoja toka tekocˇine v blizˇini nanodelca na mikroskopski ravni. Poleg tega je v eksperimentih opazovani molekulski sistem sklopljen z okolico. Z njo torej lahko izmenjuje maso, gibalno kolicˇino in energijo. Standardne molekulske simulacije pa ponavadi izvedemo v zaprtih simulacijskih sˇkatlah, z uporabo periodicˇnih robnih pogojev, pri cˇemer je sˇtevilo delcev v simuliranem sistemu vselej konstantno. Zato je potrebno razviti simulacijske tehnike za obravnavo odprtih sistemov, ki bi v ravnovesnih in neravnovesnih pogojih lahko izmenjevali maso in energijo z okolico. Namen tega projekta je razvoj simulacijskih metod, ki bi omogocˇale socˇasen opis nanosistemov na mikroskopski, mesoskopski in kontinuumski ravni. Izvedli bomo vecˇskalne simulacije toka vode skozi membrane iz ogljikovih nanocevk. Poleg tega bomo simulirali tudi tokove razlicˇnih organskih topil, npr. tekocˇega butana, heksana, dekana, benzena itd., okoli tioliranih zlatih nanodelcev. V ta namen bomo razvili in uporabili odprto simulacijo molekulske dinamike, ki bo omogocˇala izmenjavo delcev med sistemom in okolico, ravnovesne simulacije v velekanonicˇnem ansamblu in neravnovesne simulacije tekocˇinskih tokov. Tok bomo v sistem vpeljali preko zunanjega robnega pogoja. Gibalne enacˇbe bodo pri tem ostale nespremenjene. S to metodo bomo sˇtudirali tudi rotacijo in prekopicevanje zvezdastih polimerov v talini. Poleg tega bomo opazovali tudi strukturne spremembe proteinov v tekocˇini pod strizˇnim tokom. Nasˇe vecˇskalne metode bodo sklopile mikroskopski in mezoskopski opis sistemov in s tem omogocˇile sˇtudij fizikalnih pojavov, ki jih ne moremo ucˇinkovito simulirati zgolj enoskalno.