FBE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/38

Gözat

Konu "Akışkanlar" ile FBE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Mikroskobik kanallar üzerinde gerçekleşen ıslanma dinamikleri
    ( 2020) Öztürk, Özlem ; Servantie, Cem Özgür ; 632581 ; Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
    Bu çalışmada, şeritli ve şeritsiz yüzeyler üzerinde silindirik polimer damlalarının statik ve dinamik davranışları, kabalaştırılmış moleküler dinamik simülasyon tekniği ile incelenmiştir. Kimyasal olarak homojen ve heterojen olan yüzeylerin atomları, iki katman halinde yüzey merkezli kübik örgü şeklinde dizilmişlerdir. Katı yüzeyin atomları ile polimer damlaları değiştirilmiş Lennard-Jones (12,6) potansiyel enerjisi sayesinde etkileşmektedirler. İlk olarak kimyasal olarak homojen yüzeyler üzerinde polimer damlalarının dengedeki (statik özellikleri) incelenmiştir. Farklı hidrofiliklik katsayısı Cs 'e sahip yüzeyler üzerinde bu damlaların denge temas açısı θ d ölçümleri yapılmıştır. Cs parametresi arttıkça yüzeyin daha hidrofilik hale geldiği, dolayısıyla mikroskobik temas açısı θd 'nin azaldığı bulunmuştur. Aynı zamanda büyüklükleri N=10000 ile N=50000 arasında değişen polimer damlaları için, θ d 'nin damlanın büyüklüğünden bağımsız olduğu gösterilmiştir. Daha sonra, hidrofobik (C s = 0.4, θ d = 159 ◦ ) ve hidrofilik (C s = 0.6, θ d = 110 ◦ ) olmak üzere farklı ıslanma derecelerine sahip ve birbirini ardışık olarak takip eden iki farklı şeritten oluşan heterojen yüzeyler hazırlanmıştır. Aynı zamanda, bu iki farklı şerit hep aynı genişliğe sahiptir. Daha sonra, faklı kanal genişiliklerine sahip heterojen yüzeyler üzerinde damlaların statik özellikleri çalışılmıştır. Küçük şerit genişlikleri için, makroskopik Cassie-Baxter temas açısı, θ CB , bu çalışmada kullandığımız metodla ölçtüğümüz mikroskobik denge temas açısı θ d değerine yakın sonuçlar vermiştir. Damlanın katı yüzeyle temas eden taban alanının, her zaman, hidrofobik şerit sayısından artı bir fazla hidrofilik şerit miktarı ile temas edeceği gösterilmiştir, dolayısıyla termodinamik dengede polimer damlasının taban alanı her zaman, toplamda tek sayıda şeritle temas edecektir. Şerit genişliği, damlanın katı yüzeyle temas eden taban uzunluğu ile kıyaslandığında, ihmal edilemez bir değere ulaştığında, sistem her zaman potansiyel enerjisini minimuma indirmek isteyeceği için damlada önemli ölçüde şekil değişikliği meydana gelmiştir. Bu durum, şerit genişliği arttıkça, θ d değerinde önemli farklılıklar meydana getirmiş ve θ CB ve θ d değerinde aynı anda azalmaya neden olmuştur. Mikroskobik boyutlara inildiğinde, sıvılar katı yüzeyler üzerinde kayabilirler. MD simülayonları, bu ara yüzeyler üzerindeki sıvıların mikroskobik davranışlarını detaylı bir şekilde araştırmak için güçlü bir tekniktir. MD simülasyonları kullanılarak, hem homojen hem de heterojen yüzeyler üzerinde kayma uzunlukları hesaplanmıştır. Kimyasal olarak homojen yüzeyler için, kayma uzunluğu δ 'nın denge temas açısı θ d ile doğrusal olmayan bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Bununla beraber, kimyasal olarak heterojen yüzeyler ve çok küçük şerit genişlikleri için, δ 'nın, şerit genişliği w ile keskin bir şekilde azaldığı gözlemlenmiştir. Şerit genişliği artarken, kayma uzunluğu azalmaya devam etmiş ve yaklaşık şerit genişliği w ≈ 3.5σ değerinde δ ≈ 60σ değerine yakınsamıştır. Homojen ve homojen olmayan yüzeylerde damlaların dinamiğini inceleyebilmek için, damlalara +x̂-birim vektör yönünde çok küçük dış hacim/kütle(body) kuvvetleri uygulanmıştır. Bunun nedeni; damlanın yüzey üzerinde ki hareketi sırasında sahip olduğu dinamik temas açısı ile termodinamik dengede (statik durumda) sahip olduğu denge temas açısı arasındaki farkı ortalamada mümkün olduğu kadar en aza indirmek, aynı zamanda da denge temas açısı histerezis değerini çok küçük tutmaktır. Diğer bir değişle, simülasyonlar boyunca, damlanın şeklinin statik dengedeki şekline benzemesini sağlamaktır. Bu dış kuvvetler, polimerik damlayı meydana getiren her bir atoma uygulanmıştır. Daha sonra, bu çalışmada türettiğimiz basit mikroskobik bir model ve daha önce türetilmiş makroskopik bir model sayesinde, damlaların bu dış kuvvetlerin etkisi altında kütle merkezi hızlarının nasıl değiştiğini inceledik. Makroskopik model damlanın büyüklüğüne (toplam atom sayısına), kesme vizkozitesine ve kayma uzunluğuna bağlıdır. Mikroskobik model ise, ortalama sönümlenme katsayısı ile damlanın büyüklüğüne bağlıdır. Homojen yüzeyler için, damlanın karalı-hal (steady state) hızının atom başına uygulanan dış kuvvet ile doğru orantılı olduğu bulunmuş olup, bu bulgular analitik modellerle uyumludur. Bununla birlikte, heterojen yüzeyler ve yeteri kadar büyük şerit genişlikleri için, yeteri kadar büyük bir dış kuvvet uygulanana kadar, damlaların yüzey üzerinde sıkışmış/yapışmış (pinned) halde kaldığı gözlemlenmiştir. Bu kritik kuvvetin şerit geişliği ile doğru orantı olarak arttığı gösterilmiştir. Yeteri kadar büyük atom başına düşen kuvvet değerleri için, zaman ortalaması alınmış kütle merkezi hızı, dış kuvvet ile lineer olarak değişmektedir, ki bu durum modellerle de açıklanabilmektedir. Ayrıca, yüzey üzerindeki damlaların kütle merkezi hızlarının, kütle merkezi konumlarının x-bileşenlerine sinüsoidal olarak bağlı oldukları gösterilmiştir. Diğer taraftan, kritik kuvvet değerlerinin hemen üstündeki hacim (body) kuvvet değerleri için, birbirini ardışık olarak izleyen yüzeye tutunma (pinnings) ve yüzeyden ayrılmaların (depinnings) gerçekleştiği karakteristik tutunma-kayma (stick-slip) hareketi gözlemlenmiştir.