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Wetting and Heat Transfer in Graphene-Based Composites - Multiscale Molecular Simulations

Ardham, Vikram Reddy :
Wetting and Heat Transfer in Graphene-Based Composites - Multiscale Molecular Simulations.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Wetting and Heat Transfer in Graphene-Based Composites - Multiscale Molecular Simulations
Language: English
Abstract:

Interfaces are ubiquitous at the nanoscale in a range of materials and typically play a key role in determining the composite material properties. Understanding the thermodynamics and heat transfer across interfaces is a crucial challenge in composite material design and engineering. For instance, graphene-based polymer composites have been hyped to render orders of magnitude enhancement in thermal properties but have not yet lived up to the promise, primarily due to the thermal resistance arising at the interface. Simulating these systems certainly provides a way to gain valuable insights into physics at the interface and can answer some outstanding questions. However, simulating these systems is non-trivial and offers two major hurdles. The first issue is that the interface must be properly represented using suitable models to perform a realistic comparison with the experiments. The second problem is that of the scale, i.e., if one aims to model these complex systems at the highest resolution with all the chemical details inserted, the relevant physical problems often span length and time scales that are out of reach of the state of the art computational power. We address the above two problems in this thesis, i.e., how to represent interactions between various species faithfully and two, how to derive coarse-grain models accordingly. Furthermore, we also obtain a detailed understanding of what changes coarse-graining brings to the solid-liquid interfaces. The current thesis aims to obtain a fundamental understanding of the solid-liquid interfaces and to propose a framework that allows simulation of large systems of particle networks surrounded by a fluid component. To this end, we first address the nature of interfacial thermodynamics by studying solid-liquid interfaces of graphene-based systems. Then we extend this study to coarse-grained models of liquids to study in detail how the interfacial behavior is modified on coarse-graining. We primarily observe that the entropic part of the free energy is not accurately reproduced up on coarse-graining. We have learnt that, to accurately represent the interfaces, one needs to reproduce both the interaction energy and its fluctuations. Using these insights, we propose an approach to simulate graphene particles at the water-oil interface. By relying on the macroscopic wetting coefficient as the relevant wetting parameter, a simple approach to derive solid-liquid interaction parameters was proposed and tested. By simulating at various values of the wetting coefficient, we were able to confirm that the regime, for which the particles adsorb, is consistent with the macroscopic predictions. It is further shown that this approach works equally well for atomistic and coarse-grained models of liquids.

In the next step, a detailed study on the influence of water coarse-graining on the interfacial heat transfer across water-graphitic interfaces has been conducted. By computing the interfacial thermal conductance (G), we evaluated the differences in heat transfer for atomistic and coarse-grained water at different strengths of wetting ranging from hydrophobic to mildly hydrophilic. Quite surprisingly, we observe that a coarse-grained model of water is sufficient to compute G. This important insight means that, heat transfer across solid-liquid interface is mainly in the low frequency regime and removing high frequency modes (or degrees of freedom) by coarse-graining has only a nominal influence. The above insights will enable us to model large scale systems (up to 100nm) of graphene at water-oil interfaces and further will allow us to characterize heat transfer across networks of particles. The computational studies performed here will further the efforts to develop approaches in multiscale modeling and will assist in addressing outstanding questions in the areas of heat transfer and selfassembly in polymer nanocomposites.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Grenzflächen haben in einer Reihe von Materialien Ausdehnungen im Nanometerbereich und spielen typischerweise eine Schlüsselrolle für die Eigenschaften von Verbundmaterialien. Das Verständnis der Thermodynamik und der Wärmeübertragung durch die Grenzflächen ist eine entscheidende Herausforderung für das Design und die Konstruktion von Verbundwerkstoffen. Zum Beispiel wurden graphenhaltige Polymerverbundwerkstoffe häufig verwendet, um die thermischen Eigenschaften um Größenordnungen zu verbessern. Sie haben aber die hohen Erwartungen, hauptsächlich aufgrund des thermischen Widerstands an der Grenzfläche, noch nicht erfüllt. Die Simulation dieser Systeme bietet sicherlich die Möglichkeit, wertvolle Einblicke in die Physik an der Schnittstelle zu gewinnen und einige offene Fragen zu beantworten. Die Simulation dieser Systeme ist jedoch nicht trivial und erfordert die Überwindung von zwei großen Hürden. Das erste Problem besteht darin, dass die Schnittstelle mit geeigneten Modellen korrekt beschrieben werden muss, um einen realistischen Vergleich mit den Experimenten durchzuführen. Zweitens gibt es ein Skalenproblem; wenn man versucht, diese komplexen Systeme mit der höchsten Auflösung in allen chemischen Details zu modellieren, erstrecken sich die relevanten physikalischen Probleme oft über Längen- und Zeitskalen, die außerhalb der gegenwärtigen Rechenleistungen liegen. In dieser Doktorarbeit befasse ich mich mit den beiden oben genannten Problemen, mit der genauen Beschreibung der Wechselwirkung zwischen den Komponenten und damit, wie man vergröberte Modelle dafür ableitet. Dadurch erhalten wir ein detailliertes Verständnis darüber, welche Veränderungen die vergröberte Darstellung an den Fest-Flüssig-Grenzflächen bewirkt. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, ein grundlegendes Verständnis der Fest-Flüssig- Grenzflächen zu erlangen und ein Verfahren vorzuschlagen, das die Simulation großer Systeme von Teilchennetzen ermöglicht, die von einer fluiden Komponente umgeben sind. Zu diesem Zweck befassen wir uns zunächst mit Details der Grenzflächenthermodynamik, indem wir Fest-Flüssig- Grenzflächen von graphenhaltigen Systemen untersuchen. Dann erweitern wir diese Studie auf vergröberte Flüssigkeitsmodelle, um im Detail zu untersuchen, wie sich das Grenzflächenverhalten dadurch verändert. Wir beobachten vor allem, dass der entropische Anteil der freien Energie durch diese Art der Auflösung nicht genau reproduziert wird. Wir haben gelernt, dass zur präzisen Darstellung der Schnittstellen sowohl die Wechselwirkungsenergie als auch ihre Fluktuationen reproduziert werden müssen. Mit diesen Erkenntnissen schlagen wir einen Ansatz vor, um Graphenpartikel an der Wasser-Öl- Grenzfläche zu simulieren. Unter Verwendung des makroskopischen Benetzungskoeffizienten als relevanten Parameter wurde ein einfacher Ansatz zur Ableitung von Fest-Flüssig-Wechselwirkungselementen vorgeschlagen und getestet. Durch Simulationen mit verscheidenen Werten des Benetzungskoeffizienten konnten wir bestätigen, dass die Bedingungen für die Adsorption von Teilchen mit makroskopischen Vorhersagen übereinstimmen. Es wird weiter gezeigt, dass der vorgestellte Ansatz für atomare und grobe Auflösungen von Flüssigkeiten gleich gut funktioniert. Im nächsten Schritt wurde eine detaillierte Studie zum Einfluss der Wasser-Grobkörnung auf den Wärmeübergang über Wasser-Graphit-Grenzflächen durchgeführt. Durch die Berechnung der Grenzflächenwärmeleitfähigkeit (G) haben wir die Unterschiede in der Wärmeübertragung für atomare und grobe Auflösung von Wasser bei unterschiedlichen Benetzungsstärken untersucht, die von hydrophob bis schwach hydrophil reichen. Ziemlich überrascht beobachten wir, dass ein vergröbertes Modell von Wasser ausreichend ist, um G zu berechnen. Diese wichtige Erkenntnis bedeutet, dass die Wärmeübertragung über die Fest-Flüssig-Grenzfläche hauptsächlich im Niederfrequenzbereich stattfindet und Hochfrequenzmoden (oder Freiheitsgrade), die durch eine Vergröberung entfernt werden, nur einen geringen Einfluss haben. Die obigen Erkenntnisse werden uns in die Lage versetzen, komplexe Systeme (bis zu 100 nm) von Graphen an Wasser-Öl-Grenzflächen zu modellieren und uns weiterhin ermöglichen, den Wärmetransfer über Teilchennetzwerke zu charakterisieren. Die hier durchgeführten Computerstudien könnten die Bemühungen zur Entwicklung von Ansätzen in der Multiskalenmodellierung vorantreiben und dazu beitragen, offene Fragen im Bereich des Wärmetransfers und der Selbstorganisation in Polymernanokompositen zu beantworten.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Computational Physical Chemistry
Date Deposited: 13 Apr 2018 06:32
Last Modified: 13 Apr 2018 06:32
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73131
Referees: Müller-Plathe, Prof. Dr. Florian and van der Vegt, Prof. Dr. Nico
Refereed: 20 March 2018
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7313
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