Molekulardynamische Simulationen von Argon-Clustern

Stephan Wonczak, November 2001

Die homogene Keimbildung von Argon und das Verhalten kleiner Cluster werden mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationen untersucht. Zu diesem Zweck wurde im Verlauf dieser Arbeit ein Programmpaket namens cluster entwickelt und optimiert. Es konnte gezeigt werden, dass mit entsprechend hoch gewählter Übersättigung (S ? 10) Keimbildungsexperimente in Computersimulationen durchgeführt werden können. Die Keimbildungsraten lagen dabei in der Größenordung von J = 10²⁴ bis 10²⁸ cm^-3s^-1. Auch das Wachstum der gebildeten Cluster ist bis zu einer Größe von etwa 10 nm Durchmesser zu beobachten. In Systemen mit mehr als einem gebildeten Cluster konnten auch Alterungsprozesse wie Koaleszenz beobachtet werden. Mit Hilfe der so gebildeten Flüssigkeitströpfchen war es möglich, eine Dampfdruckkurve im Temperaturbereich von 70 K bis 90 K zu bestimmen. Um den Druck über einer gekrümmten Oberfläche in den Druck über einer flachen Oberfläche umzurechnen, wurde eine verbesserte Krümmungskorrektur entwickelt, die den übersättigten Zustand der umgebenden Gasphase berücksichtigt. Die simulierte Dampfdruckkurve zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Als dritter Punkt wurden die Kondensations- und Verdampfungsraten der gebildeten Cluster in Abhängigkeit von Clustergröße und Temperatur bestimmt. Diese mikroskopischen kinetischen Daten sind vor allem zur Weiterentwicklung von Keimbildungstheorien von Interesse. Die Kondensationsrate war bislang nur aus Überlegungen der kinetischen Gastheorie zugänglich.