Superkomputer: Applications

Przeprowadzone niedawno badania eksperymentalne [1] pokazały, że właściwości przeciwcierne niektórych smarów płynnych można znacznie poprawić dodając do nich nanorurki węglowe. O ile efekt ten został już dość dobrze potwierdzony eksperymentalnie, o tyle nie zostały poznane wciąż jego przyczyny. Fakt ten wynika głównie z ograniczeń metod eksperymentalnych, które nie są w stanie dostarczyć molekularnego obrazu przebiegu procesu tarcia, tak istotnego dla zrozumienia zachodzących w jego trakcie mechanizmów fizykochemicznych.
Celem projektu jest wykorzystanie symulacji metodą dynamiki molekularnej do zbadania, w jaki sposób dodanie nanorurek węglowych (jedno- i wielościennych) wpływa na właściwości reologiczne wybranych smarów płynnych (m.in. glikol propylenowy). Projekt obejmuje przygotowanie, przeprowadzenie oraz analizę rezultatów symulacji, zmierzających do wyznaczenia współczynnika lepkości oraz zbadania, jak parametr ten zmienia się w wyniku dodania nanorurek. Istotny aspekt pracy stanowi analiza zmierzająca do identyfikacji procesów odpowiedzialnych za poprawę właściwości przeciwciernych, wynikającą z dodania nanorurek.
Planowane symulacje zostaną przeprowadzone wykorzystując pakiet obliczeniowy LAMMPS [2, 3]. Do opisu oddziaływań atomów wykorzystane zostanie pole siłowe REAX [4-6], które pozwala wiarygodnie opisać rozpatrywane układy (nanorurki węglowe - ciecz organiczna). Do wyznaczenia lepkości wykorzystana zostanie metoda SLLOD [7-12]. Prace obejmują także wytworzenia (od podstaw) programów komputerowych, służących do przygotowania symulacji (problem generacji konfiguracji początkowej rozpatrywanych układów: nanorurki zanurzone w wybranych smarach płynnych, dalsza/późniejsza relaksacja badanych układów - zrealizowana na drodze symulacji) oraz analizy ich rezultatów (analiza "surowych" danych uzyskanych z symulacji, zmierzając do wyznaczenia wsp. lepkości oraz poznania/charakteryzacji zachodzących procesów fizykochemicznych).
Literatura
[1] J. Kałużny, A. Merkisz-Guranowska, M. Giersig, K. Kempa, Lubricating performance of carbon nanotubes in internal combustion engines - engine test results for CNT enriched oil, International Journal of Automotive Technology 18 (6), 1047-1059 (2017).
[2] S. Plimpton, Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, J. Comput. Phys. 117, 1 (1995).
[3] LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, http://lammps.sandia.gov/
[4] K. D. Nielson, A. C. T. van Duin, J. Oxgaard, W.-Q. Deng, W. A. Goddard, Development of the ReaxFF reactive force field for describing transition metal catalyzed reactions, with application to the initial stages of the catalytic formation of carbon nanotubes, J. Phys. Chem. A 109 (3), 493 (2005).
[5] K. Chenoweth, A. C. T. van Duin, W. A. Goddard, ReaxFF reactive force field for molecular dynamics simulations of hydrocarbon oxidation, J. Phys. Chem. A112 (5), 1040 (2008).
[6] S. G. Srinivasan, A. C. T. van Duin, P. Ganesh, Development of a ReaxFF potential for carbon condensed phases and its application to the thermal fragmentation of a large fullerene, J. Phys. Chem. A 119 (4), 571 (2015).
[7] LAMMPS User Manual, How to discussion, Calculate viscosity, https://lammps.sandia.gov/doc/Howto_viscosity.html
[8] B. Hess, Determining the shear viscosity of model liquids from molecular dynamics simulations, J. Chem. Phys. 116, 209 (2002).
[9] B. D. Todd, P. J. Daivis, Nonequilibrium Molecular Dynamics, Cambridge University Press, 2017.
[10] Ch. J. Mundy, J. Ilja Siepmann, M. L. Klein, Decane under shear: A molecular dynamics study using reversible NVT-SLLOD and NPT-SLLOD algorithms, J. Chem. Phys. 103, 10192 (1995).
[11] G. Pan, J. F. Elya, C. McCabe, Operator splitting algorithm for isokinetic SLLOD molecular dynamics, J. Chem. Phys. 122, 094114 (2005).
[12] Wm. G. Hoover, C. G. Hoover, J. Petravic, Simulation of two- and three dimensional dense-fluid shear flows via nonequilibrium molecular dynamics: Comparison of time-and-space-averaged stresses from homogeneous Doll?s and SLLOD shear algorithms with those from boundary-driven shear, Physical Review E E 78, 046701 (2008).