Molekuardynamische Simulationen der Keimbildung von Kohlenstoffdioxid

Jan-Hubert Wittmann, Januar 2011:

In dieser Arbeit werden Keimbildungsphänomene von Kohlenstoffdioxid mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationen, in einer dafür angepassten Version des moscito Grundprogrammes von Paschek und Geiger, untersucht. Ein umfangreicher Vergleich von Potentialmodellen wird vorgestellt, wobei die Potentialmodelle von Zhang und Duan oder Merker et al. das Koexistenzgebiet der gasförmigen und flüssigen Phase am besten beschreiben. Die Untersuchung der „finite size“-Effekte im Falle von CO₂ zeigt, dass die Abweichung in einer möglichen Keimbildungsrate bei der gewählten Systemgröße, 5% nicht überschreitet. Basierend auf der Implementierung und Anpassung der Clusterdefinition von ten Wolde und Frenkel, auf die Gegebenheiten von CO₂, wurden Simulationen durchgeführt und mittels der mean first-passage times Methode analysiert. Die durchgeführten Simulationen bewegen sich in einem Temperaturbereich von 200 ? T [K] ? 230. Die Ergebnisse zeigen eine Kopplung der Keimbildungs- und Wachstumsphase von Kohlenstoffdioxid mit unterschiedlichen Systemübersättigungen von 5.30 ? S ? 27.84. Im Bereich der höchsten Übersättigungen lassen sich Anzeichen für spinodale Entmischung erkennen. Ermittelte Phasenübergangsraten liegen zwischen 10²⁷ ? J [cm^-3 s^-1] ? 10²⁹. Damit weichen sie von der Classical Nucleation Theory, der Extended Modified Liquid Drop Model – Dynamical Nucleation Theory und Mean-Field Kinetic Nucleation Theory nur um zwei Größenordnungen ab.