Molekulardynamische Untersuchungen einfacher Flüssig-flüssig-Phasengrenzsysteme

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, mittels molekulardynamischer Simulationen charakteristische Eigenschaften eines flüssigen Phasengrenzsystems zu untersuchen und so zu einem verbesserten mikroskopischen Verständnis von Flüssig-flüssig-Grenzflächen beizutragen. Zu diesem Zweck wird das heterogene Phasengrenzsystem bei verschiedenen Temperaturen (bzw. Phasenzusammensetzungen) mittels modellhafter, kugelsymmetrischer Lennard-Jones-Teilchen abgebildet. Anhand von Phasengleichgewichten, Partialdichteprofilen, Phasengrenzdicken und Grenzflächenspannungen wird die strukturelle Beschaffenheit der flüssigen Phasengrenzen bei verschiedenen Temperaturen charakterisiert. Die dynamischen Eigenschaften der Phasengrenzsysteme werden mittels Selbstdiffusionskoeffizienten analysiert, die aus der Auswertung zeitlicher Geschwindigkeitsfluktuationen über Korrelationsfunktionen gewonnen werden. Das dynamische Teilchenverhalten in den Bulkphasen wird dabei sowohl aus Sicht der Lösemittelteilchen (Mehrheitskomponente) als auch aus Sicht der gelösten Teilchen (Minderheitskomponente) untersucht. Über eine räumliche Einteilung des Phasengrenzsystems in Bulk- und Grenzflächensegmente und eine getrennte Berechnung der Selbstdiffusionskoeffizienten tangential und normal zur Grenzfläche wird anisotropes dynamisches Teilchenverhalten an der Phasengrenze festgestellt. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Modellparameter auf die Struktur des Phasengrenzsystems. Anhand von vier Fällen wird der Frage nachgegangen, wie sich Änderungen der Lennard-Jones-Parameter auf Phasengleichgewichte, Phasengrenzdicken und Grenzflächenspannungen auswirken. Die festgestellten Eigenschaftsänderungen können aufgrund des einfachen Wechselwirkungsmodells eindeutig bestimmten geometrischen oder energetischen Ursachen zugeordnet werden. Zusätzlich wird untersucht, wie die Teilchenbeweglichkeit von Lösemittel- und gelösten Teilchen auf Änderungen der Teilchenmassen reagiert.

It is the objective of this work to investigate characteristic properties of liquid interfacial systems by means of molecular dynamics computer simulations in order to contribute to an improved understanding of liquid-liquid interfaces at the molecular level. Heterogeneous interfacial systems are modelled as two partially miscible Lennard-Jones fluids in equilibrium contact, at various temperatures. The structures of the liquid interfaces are characterized in terms of phase equilibria, partial density profiles, interfacial widths and interfacial tensions. The dynamic properties of the interfacial systems are investigated in terms of the self-diffusion coefficients calculated from velocity fluctuations by means of equilibrium correlation functions. The dynamical behaviour of the bulk particles is examined both for majority (solvent) and minority (solute) components and formal self-diffusion coefficients parallel and normal to the interface are determined. A large part of this work addresses the influence of the model parameters on the structural nature of the interfacial system. On the basis of four specific cases the effects of the Lennard-Jones parameters on the interfacial width and tension are investigated. Because of the simplicity of this interaction model the detected changes in these quantities can be intuitively assigned to geometrical or energetical causes. In addition the impact of varying relative particle masses on the mobilities of solvent and solute particles near and far away from the interface is investigated.