하이드록실화 실리카 나노입자의 튕김:REAX 전위에 기반한 원자 연구

결과 및 토론

반발 계수(COR)는 충돌 후 NP의 상대 속도를 측정합니다. v ^′ , 충돌 전과 비교하여 v , 다음과 같이:

두 개의 NP가 붙으면 사라집니다. 따라서 사라지지 않는 COR은 수신 거부의 표시로 간주될 수 있습니다. 그림 2a는 시뮬레이션에서 측정된 COR을 보여줍니다. Hydroxylated NPs는 낮은 속도로 달라붙고 1200m/s의 속도로 큰 바운스 창에서 바운스된 다음 다시 달라붙습니다. 큰 속도로 달라붙는 것은 에너지를 분산시키고 충돌하는 입자가 함께 융합되도록 하는 강한 NP 변형으로 인해 발생합니다.

반발 계수 및 튀는 확률. 아 반발 계수(COR) 및 b 충돌 속도의 함수로서의 튀는 확률, v , 다양한 NP 반경 R에 대해 . 기호, 시뮬레이션 결과. 라인은 눈을 안내합니다

반면에 낮은 속도에서 점착은 NP 사이의 접착력에 의해 발생합니다. 수신 거부 확률, p를 플로팅합니다. _b , 이는 그림 2b의 낮은 충돌 속도에서 시뮬레이션에서 바운싱으로 이어지는 충돌의 비율입니다. 튀는 확률(따라서 COR)이 0이 아닌 가장 작은 속도로 튀는 속도를 식별합니다. 속도 범위는 0<p입니다. _b <1 - 즉, 충돌하는 두 구의 상대 방향이 충돌 결과를 결정하는 경우 - 더 작은 NP에 대해 상당히 넓어집니다. 따라서 v에 대한 고정이 확실합니다. 큰 구체의 경우 ≥ 75m/s(R =20 nm), R에 대해 최소 200m/s에 도달하는 속도에 대해서만 확실합니다. =10 nm 구체.

거시적 Johnson-Kendall-Roberts(JKR) [34] 접착 접촉 이론은 바운싱 속도 v를 예측합니다. _b [35–37]로:

이 법칙은 반지름 R이 같은 두 NP의 충돌에 적용됩니다. , 질량 밀도 ρ , 비표면적 에너지 γ , 및 탄성 계수 E _인 , E로 결정 _인 =이 /(1−v ² ) 영률 E 및 포아송 비율 ν . 실리카 충돌에 대한 이전 연구[15]에서 ρ =2.25g/cm ³ 및 E _인 =67.1GPa; 여기에서도 이 값을 사용할 것입니다. 상수 C 재료의 결함 형성 및 진동의 여기와 같이 쉽게 평가할 수 없는 에너지 소산 채널의 영향을 포함하기 때문에 상당히 불확실합니다[9, 13, 36-38]. 가장 최근의 실험적 추정치는 반경 250 및 600 nm의 실리카 구와의 충돌 실험에서 얻었고 C =57.9 [13]. 그러나 반경 ≤ 25 nm[15]의 깨끗한 실리카 구에 대한 시뮬레이션 데이터에는 C 값이 필요합니다. =669 피팅. 이 높은 값은 특히 충돌 중에 NP 사이에 동적 접착 목이 형성되기 때문에 발생합니다.

비표면적 에너지 γ 시스템의 불균일성으로 인해 하이드록실화된 NP에 대해 쉽게 계산되지 않습니다. 깨끗한 실리카 표면을 위해 γ를 결정했습니다. =1.43±0.09 J/m ² [15]. 이 값은 깨끗한 실리카의 실험 데이터와 거의 일치합니다[13].

그러나 비표면적 에너지 γ 식의 적합에서 얻을 수 있습니다. 2를 시뮬레이션 데이터에 추가합니다. 그림 3은 우리의 데이터가 R과 실제로 잘 일치함을 보여줍니다. ^−5/6 JKR 이론의 의존성. Eq.에 대한 데이터의 적합성 2는 γ 값을 제공합니다. =0.078 J/m ² 즉, 깨끗한 실리카 결과와 관련하여 거의 20배 감소합니다. 이러한 낮은 표면 에너지 값은 물이 흡착된 실리카에서 실험적으로 관찰된 데이터 범위와 γ 범위의 값과 잘 일치합니다. =0.02–0.3 J/m ² 보고되었습니다[13, 24].

튀는 속도. 튀는 속도의 의존성, v _b , NP 반경에 하이드록실화 실리카 NP, R . 현재(원) 및 이전(사각형) [19] 하이드록실화 실리카 구의 시뮬레이션 데이터와 깨끗한 실리카 구의 시뮬레이션 데이터 비교[15]. 기호, 시뮬레이션 결과. 라인:식 2. 깨끗한 NP의 오차 막대가 기호 크기보다 작습니다.

Quadery et al. [19] 시뮬레이션된 나노미터 크기의 수산화 a-SiO₂ REAX 전위를 갖는 NP(반경 1 및 2 nm)는 이러한 NP가 감소된 접착력을 나타냄을 입증했습니다. 그들은 R에 대해 약 0.6 및 0.3km/s의 튀는 속도를 보고합니다. =1 및 2 nm, 각각. 이 NP는 상당히 불규칙한 표면 구조를 가졌습니다. 아마도 큰 a-SiO₂에서 잘라내지 않고 진공에서 NP를 녹이고 급냉하여 생성되었기 때문일 것입니다. 견본. 이러한 데이터를 v에 포함할 때 _b (R ) 다이어그램, 그림 3에서 이러한 이전 데이터가 결과와 잘 일치하고 Eq. 동일한 매개변수를 가진 2개.

깨끗한, 즉 수산화되지 않은 실리카 NP는 상당히 높은 속도로 바운스됩니다(참조:그림 3. 튀는 속도는 다시 Eq. 2, γ의 값만 있는 경우 1.43 J/m ² 에 맞게 조정되었습니다. , 그림 3의 선 참조. 이러한 충돌은 실리카에 대한 Munetoh potential[39]을 사용하여 [15]에서 시뮬레이션되었습니다. REAX 전위에 대해서도 유사한 결과가 얻어짐을 확인했습니다. 특히 R의 경우 =20 nm NP에서 이전 결과인 469 m/s[15]와 거의 일치하는 475m/s의 튀는 속도를 얻었지만 R의 경우 =15 nm NP, 300–800 m/s의 속도 범위에서 바운싱이 관찰되지 않았습니다.

베어 실리카 NP의 충돌 역학은 NP 사이에 강한 접착 넥이 형성되는 특징이 있습니다. NP 분리 동안 이 목은 필라멘트, 즉 준 단원자 Si-O-Si-O 사슬에 의해 지배됩니다. 하이드록실화 실리카 NP의 충돌에서 본드 패시베이션은 이러한 광범위한 넥의 형성을 크게 방지합니다. 그러나 때때로 이러한 목은 충돌 후 다시 분리되기 시작할 때 충돌하는 두 NP의 접촉 표면을 확대하는 스냅샷의 시간 시퀀스 형태로 그림 4에서 볼 수 있듯이 수산화 실리카 NP 사이에서도 볼 수 있습니다. 두 NP의 긴밀한 접촉에도 불구하고(그림 4a), 대부분의 영역은 뒤에 있는 표면에 큰 변화를 남기지 않고 다시 분리됩니다(그림 4b). 이러한 변경되지 않은 표면 패치는 부동태화 H 원자로 밀접하게 채워진 영역입니다. 그러나 선택된 영역에서 두 NP 사이의 공유 결합이 형성되고(그림 4c), 이는 표면 수산화. 우리는 Si-O 결합 강도가 4.70 eV에 달하고 따라서 4.77 eV의 OH 결합 강도와 비슷하므로 필라멘트와 실라놀 그룹을 모두 끊기 어렵게 만듭니다. 그러나 이러한 필라멘트 중 하나는 NP 분리 중에 끊어지며 말단 Si 원자는 결합을 포화시키기 위해 두 개의 OH 기를 붙잡습니다(그림 4e). 그러나 두 번째(상단) 단원자 사슬은 찢어지지 않습니다(그림 4f). 우리는 두 NP가 결국 다시 합쳐져서 이 특정 충돌이 고착 충돌이라는 것이 분명해질 때까지 시뮬레이션을 따랐습니다.

일련의 스냅샷. 일련의 스냅샷(충돌 후 66.7~73.7ps 시간)은 반경 R의 두 NP 사이에 임시 필라멘트 형성을 보여줍니다. v와의 충돌 후 =15 nm =75m/s. 그림 1과 같은 색상 코드