An empirical experimental observations and MD simulation data-based model for the material properties of confined fluids in nano/Angstrom size tubes
Description
Abstract The transport of fluids in nano/Angstrom-sized pores has gotten much attention because of its potential uses in nanotechnology, energy storage, and healthcare sectors. Understanding the distinct material properties of fluids in such close confinement is critical and dictate the fluid's behavior in determining flow dynamics, transport processes, and, ultimately, the performance of nanoscale devices. Remarkably, many researchers observed that the size of the geometry, such as confining nanotube diameter, exerts a profound and intriguing influence on the material properties, including on the critical parameters such as density, viscosity, and slip length. Many researchers tried to model viscosity $\eta$, density $\rho$, and slip $\lambda$ using various models with multiple dependencies on the tube-diameter. It is somewhat confusing and tough to decide which model is appropriate and can be incorporated in simulation. In this paper, we propose a simple single equation for each nanoconfined material property such as for density $\displaystyle \rho(D)/\rho_o = a+ b/(D-c)^n$, viscosity $\displaystyle \eta(D)/\eta_o = a+ b/(D-c)^n$, and the slip length $\lambda(D) = \lambda_1~D~e^{-n~D}+ \lambda_o$ (where $a,~b,~c,~n,~\lambda_1,~\lambda_o$ are the free fitting parameters). We model a wealth of previous experimental and MD simulation data from the literature using our proposed model for each material property of nanoconfined fluids. Our single proposed equation effectively captures and models all the data, even though many different models have been employed in literature to describe the same material property. Our proposed model exhibits exceptional agreement with multiple independent datasets from the experimental observations and MD simulations. Additionally, the model possesses continuity and continuous derivative, so that it is well-suited for simulations. The proposed models also obey the far boundary conditions, i.e., when tube-diameter $D \implies \infty$, the material properties approaches bulk properties of fluid. Because of models' simplicity, smooth, and generic nature, it holds promise to apply in simulations to design/optimize nanoscale-devices.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة حظي نقل السوائل في مسام بحجم النانو/أنغستروم باهتمام كبير بسبب استخداماته المحتملة في قطاعات تكنولوجيا النانو وتخزين الطاقة والرعاية الصحية. إن فهم خصائص المواد المميزة للسوائل في مثل هذا الحبس الوثيق أمر بالغ الأهمية ويملي سلوك السائل في تحديد ديناميكيات التدفق وعمليات النقل، وفي النهاية، أداء الأجهزة النانوية. من اللافت للنظر أن العديد من الباحثين لاحظوا أن حجم الهندسة، مثل حصر قطر الأنبوب النانوي، له تأثير عميق ومثير للاهتمام على خصائص المادة، بما في ذلك على المعلمات الحرجة مثل الكثافة واللزوجة وطول الانزلاق. حاول العديد من الباحثين نمذجة اللزوجة $\eta$، والكثافة $\rho$، وزلة $\lambda$ باستخدام نماذج مختلفة مع تبعيات متعددة على قطر الأنبوب. من المربك والصعب إلى حد ما تحديد النموذج المناسب والذي يمكن دمجه في المحاكاة. في هذه الورقة، نقترح معادلة واحدة بسيطة لكل خاصية مادية دقيقة النانو مثل الكثافة $\displaystyle \rho(D )/\rho_o = a+ b/(D - c )^n$، اللزوجة $\ displaystyle \eta(D )/\eta_o = a+ b/(D - c )^n$، وطول القسيمة $\lambda(D )=\lambda _1~D ~ e^{- n~D }+\ lambda_o$ (حيث $a،~b،~ c،~ n،~\ lambda_o$ هي معلمات التركيب المجانية). نقوم بنمذجة ثروة من بيانات المحاكاة التجريبية و MD السابقة من الأدبيات باستخدام نموذجنا المقترح لكل خاصية مادية للسوائل النانوية. تلتقط معادلتنا المقترحة الفردية جميع البيانات وتنمذجها بشكل فعال، على الرغم من استخدام العديد من النماذج المختلفة في الأدبيات لوصف نفس الخاصية المادية. يُظهر نموذجنا المقترح اتفاقًا استثنائيًا مع مجموعات بيانات مستقلة متعددة من الملاحظات التجريبية ومحاكاة MD. بالإضافة إلى ذلك، يمتلك النموذج الاستمرارية والمشتقات المستمرة، بحيث يكون مناسبًا تمامًا للمحاكاة. تلتزم النماذج المقترحة أيضًا بشروط الحدود البعيدة، أي عندما يكون قطر الأنبوب $D \يعني \infty$، تقترب خصائص المادة من الخصائص السائبة للسائل. نظرًا لبساطة النماذج وطبيعتها السلسة والعامة، فإنها تبشر بالتطبيق في عمليات المحاكاة لتصميم/تحسين الأجهزة النانوية.Translated Description (French)
Résumé Le transport de fluides dans les pores de taille nano/angström a suscité beaucoup d'attention en raison de ses utilisations potentielles dans les secteurs des nanotechnologies, du stockage d'énergie et des soins de santé. Comprendre les propriétés matérielles distinctes des fluides dans un confinement aussi étroit est essentiel et dicte le comportement du fluide dans la détermination de la dynamique de l'écoulement, des processus de transport et, en fin de compte, des performances des dispositifs à l'échelle nanométrique. Remarquablement, de nombreux chercheurs ont observé que la taille de la géométrie, telle que le diamètre du nanotube de confinement, exerce une influence profonde et intrigante sur les propriétés du matériau, y compris sur les paramètres critiques tels que la densité, la viscosité et la longueur de glissement. De nombreux chercheurs ont essayé de modéliser la viscosité $ \eta$ , la densité $ \rho$ et le glissement $ \lambda$ en utilisant divers modèles avec de multiples dépendances sur le diamètre du tube. Il est quelque peu déroutant et difficile de décider quel modèle est approprié et peut être intégré dans la simulation. Dans cet article, nous proposons une équation simple pour chaque propriété de matériau nanoconfiné telle que pour la densité $ \displaystyle \rho(D)/\rho_o = a + b/(D-c)^n$ , la viscosité $ \displaystyle \eta(D)/\eta_o = a + b/(D-c)^n$ , et la longueur de glissement $ \lambda(D) = \lambda_1~D~e^{-n~D}+ \lambda_o$ ( où $ a,~b,~c,~n,~\lambda_1,~\lambda_o$ sont les paramètres d'ajustement libre). Nous modélisons une multitude de données expérimentales et de simulation MD antérieures de la littérature à l'aide de notre modèle proposé pour chaque propriété matérielle des fluides nanoconfinés. Notre équation unique proposée capture et modélise efficacement toutes les données, même si de nombreux modèles différents ont été utilisés dans la littérature pour décrire la même propriété matérielle. Notre modèle proposé présente un accord exceptionnel avec plusieurs ensembles de données indépendants issus des observations expérimentales et des simulations MD. De plus, le modèle possède une continuité et une dérivée continue, de sorte qu'il est bien adapté aux simulations. Les modèles proposés obéissent également aux conditions aux limites éloignées, c'est-à-dire que lorsque le diamètre du tube $D \implique \infty$ , les propriétés du matériau se rapprochent des propriétés en vrac du fluide. En raison de la simplicité, de la douceur et du caractère générique des modèles, il est prometteur de l'appliquer dans des simulations pour concevoir/optimiser des dispositifs à l'échelle nanométrique.Translated Description (Spanish)
Resumen El transporte de fluidos en poros de tamaño nano/Angstrom ha recibido mucha atención debido a sus posibles usos en los sectores de la nanotecnología, el almacenamiento de energía y la salud. Comprender las distintas propiedades materiales de los fluidos en un confinamiento tan cercano es fundamental y dicta el comportamiento del fluido para determinar la dinámica de flujo, los procesos de transporte y, en última instancia, el rendimiento de los dispositivos a nanoescala. Sorprendentemente, muchos investigadores observaron que el tamaño de la geometría, como el diámetro de los nanotubos confinados, ejerce una influencia profunda e intrigante en las propiedades del material, incluso en los parámetros críticos como la densidad, la viscosidad y la longitud de deslizamiento. Muchos investigadores intentaron modelar la viscosidad $\eta$, la densidad $\rho$ y el deslizamiento $\lambda$ utilizando varios modelos con múltiples dependencias del diámetro del tubo. Es algo confuso y difícil decidir qué modelo es apropiado y se puede incorporar en la simulación. En este documento, proponemos una ecuación simple para cada propiedad de material nanoconfinado, como para la densidad $\displaystyle \rho(D)/\rho_o = a + b/(D-c)^n$, viscosidad $\displaystyle \eta(D)/\eta_o = a + b/(D-c)^n$, y la longitud de deslizamiento $\lambda(D) = \lambda_1~D~e^{-n~D}+ \lambda_o$ (donde $ a,~b,~c,~n,~\lambda_1,~\lambda_o$ son los parámetros de ajuste libre). Modelamos una gran cantidad de datos experimentales y de simulación MD previos de la literatura utilizando nuestro modelo propuesto para cada propiedad material de fluidos nanoconfinados. Nuestra única ecuación propuesta captura y modela de manera efectiva todos los datos, a pesar de que se han empleado muchos modelos diferentes en la literatura para describir la misma propiedad del material. Nuestro modelo propuesto muestra una concordancia excepcional con múltiples conjuntos de datos independientes de los resultados experimentales y las simulaciones MD. Además, el modelo posee continuidad y derivada continua, por lo que es muy adecuado para simulaciones. Los modelos propuestos también obedecen a las condiciones del límite lejano, es decir, cuando el diámetro del tubo $D \implica \infty$, las propiedades del material se aproximan a las propiedades a granel del fluido. Debido a la simplicidad, suavidad y naturaleza genérica de los modelos, es prometedor aplicarlo en simulaciones para diseñar/optimizar dispositivos a nanoescala.Files
pdf.pdf
Files
(11.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:cf9a72562d5d163784f4e590d4132ad9
|
11.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ملاحظات تجريبية تجريبية ونموذج قائم على بيانات محاكاة MD لخصائص المواد للسوائل المحصورة في أنابيب بحجم النانو/أنجستروم
- Translated title (French)
- Un modèle empirique basé sur des observations expérimentales et des données de simulation MD pour les propriétés matérielles des fluides confinés dans des tubes de taille nano/Angström
- Translated title (Spanish)
- Un modelo empírico experimental y basado en datos de simulación MD para las propiedades materiales de fluidos confinados en tubos de tamaño nano/Angstrom
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4391989721
- DOI
- 10.1088/2632-959x/ad2b83