Nanofluidistiikan kvantitatiivista moniskaalamallinnusta

Santtu T.T. Ollila

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Nanofluidistiikka on poikkitieteellinen tutkimusala, jossa pyritään pienten nestemäärien hallittuun kuljetukseen kanavissa, joiden halkaisija on tyypillisesti samaa suuruusluokkaa kuin nesteen mukana kulkeutuvien hiukkasten. Kanavien ahtaudesta johtuen neste ja sen kuljettama liue vuorovaikuttaa voimakkaasti kanavan seinien kanssa, millä on suuri vaikutus systeemin fysikaalisiin ominaisuuksiin. Moniskaalamallinnuksesta on tullut suosittu työkalu pehmeän aineen fysiikan ongelmissa, jotka kattavat useita dekadeja aika- ja pituusasteikolla. Kyseiset mallit eivät tyypillisesti ole kvantitatiivisen tarkkoja ja ne saattavat sisältää malliparametreja, joiden arvot eivät ole fysikaalisin perustein valittuja. Tässä väitöskirjatyössä kehitetään moniskaalamalli, joka kytkee fluktuoivan hila-Boltzmann -nesteen molekyylidynamiikkamenetelmällä mallinnettavaan hiukkasfaasiin. Työssä kiinnitetään erityishuomiota nestemalliin lisättävän lämpöhuojunnan toteutukseen sekä nesteen ja hiukkasten väliseen kytkentään, mihin mallin kvantitatiivisuus osittain perustuu. Kytkentä kalibroidaan vaatimalla useiden termisistä fluktuaatioista riippumattomien, mutta hiukkasen koosta riippuvien jatkuvien olotilojen toteutumista. Kalibroitu systeemi läpäisee lukuisia lämpöhuojunnasta ja hiukkasen koosta riippuvia kokeita, joissa hiukkasen hydrodynaamisen säteen havaitaan olevan sopusoinnussa kalibroidun arvon kanssa. Energian dissipaation ja kytkennän yhteyttä tutkitaan myös. Mallia sovelletaan viiteen esimerkkitapaukseen. Näistä ensimmäisessä tutkitaan nesteessä värähteleviin huokoisiin hiukkasiin kohdistuvia hydrodynaamisia voimia kahden eri massajakauman tapauksessa. Toinen systeemi, jossa termisiä fluktuaatioita ei tarvitse ottaa huomioon, liittyy mikrofluidistiikan alaan ja käsittelee kolloidien virtausta T-kirjaimen muotoisessa haarassa. Mallia sovelletaan lisäksi polymeerifysiikkaan ja nanofluidistiikkaan, missä termiset fluktuaatiot ovat tärkeitä. Mallin toimivuus varmistetaan ensin bulkissa. Hydrodynaamisten reunaehtojen tarpeellisuus huomataan, kun neste ja polymeeri laitetaan kahden samansuuntaisen seinän väliseen rakoon. Viimeinen esimerkkitapaus käsittelee paine-erolla aikaansaatua nestevirtausta kanavassa, jonka poikkileikkaus koostuu vuorottelevista kapeikoista ja leveistä osista. Virtauksen, termisten fluktuaatioiden ja kanavan muodon yhteisvaikutuksen huomataan johtavan polymeerin pituudesta ja rakenteesta riippuvaan liikkuvuuteen.
Julkaisun otsikon käännösNanofluidistiikan kvantitatiivista moniskaalamallinnusta
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Ala-Nissilä, Tapio, Vastuuprofessori
  • Denniston, Colin, Vastuuprofessori, Ulkoinen henkilö
  • Denniston, Colin, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
  • Ala-Nissilä, Tapio, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-5198-7
Sähköinen ISBN978-952-60-5199-4
TilaJulkaistu - 2013
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • nanofluidistiikka
  • mikrofluidistiikka
  • hila-Boltzmann
  • hydrodynamiikka

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Nanofluidistiikan kvantitatiivista moniskaalamallinnusta'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä