Advanced

Theoretical Studies of Simple Polar Fluids

Stenhammar, Joakim LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Att vatten är en otroligt viktig vätska för allt liv på jorden känner de flesta till; exempelvis består över hälften av människokroppen av vatten, och 70 procent av jordens yta är täckt av det. Att just denna till synes enkla kemikalie, vars molekyler består av två väteatomer och en syreatom, har en sådan unik betydelse är ingen slump, utan beror på att vatten har en rad mycket unika egenskaper som andra vätskor saknar. Exempelvis är vatten i fast form (is) lättare än i flytande form, vilket gör att våra sjöar och hav fryser uppifrån istället för från botten, vilket hade varit förödande för allt vattenliv. En del, om än långtifrån alla, av vattens unika egenskaper kan förklaras utifrån... (More)
Popular Abstract in Swedish

Att vatten är en otroligt viktig vätska för allt liv på jorden känner de flesta till; exempelvis består över hälften av människokroppen av vatten, och 70 procent av jordens yta är täckt av det. Att just denna till synes enkla kemikalie, vars molekyler består av två väteatomer och en syreatom, har en sådan unik betydelse är ingen slump, utan beror på att vatten har en rad mycket unika egenskaper som andra vätskor saknar. Exempelvis är vatten i fast form (is) lättare än i flytande form, vilket gör att våra sjöar och hav fryser uppifrån istället för från botten, vilket hade varit förödande för allt vattenliv. En del, om än långtifrån alla, av vattens unika egenskaper kan förklaras utifrån vattenmolekylens geometriska form. Vattenmolekylen är nämligen vinklad (V-formad), med syreatomen i "hörnet" och en väteatom i varje ände. Eftersom syreatomen har en större förmåga att dra till sig negativt laddade elektroner än vad väteatomerna har får vattenmolekylen en positivt laddad och en negativt laddad ände; vi säger att vattenmolekylen är en dipol, och att vatten är en polär vätska. En molekyls dipol brukar åskådliggöras med en pil ("vektor") som pekar från dess negativa till dess positiva ände.



Eftersom vatten är ett så viktigt och samtidigt komplext ämne har ofantliga mängder forskning ägnats åt att undersöka dess egenskaper. En stor del av denna forskning har använt sig av experimentella tekniker, men eftersom molekyler är väldigt små (ett glas vatten innehåller sisådär 10 000 000 000 000 000 000 000 000 molekyler!) och rör sig fort är det svårt att få detaljerad information från ett experiment om vad som händer på molekylär nivå. Därför har mycket forskning ägnats åt att bygga teoretiska modeller som kan beskriva vad som sker på molekylnivån, oftast med hjälp av beräkningar i dator. Även om moderna datorer är förhållandevis snabba krävs oundvikligen att man gör förenklingar av verkligheten när man konstruerar sådana modeller för att kunna få fram den information man vill åt inom rimlig tid. En sådan förenkling är att ignorera vattenmolekylens vinklade form, och ersätta dess tre atomer med endast en atom, i vars centrum man "bäddar in" en dipol. Denna förenkling gör att datorberäkningen går minst tio gånger snabbare, samtidigt som man såklart förlorar en del av egenskaperna hos den verkliga vattenmolekylen. En ytterligare förenkling av verkligheten kan vi åstadkomma genom att helt sonika ta bort vattenmolekylerna helt och hållet, och istället ersätta dem med en slät, utsmetad "bakgrund" med en dipoltäthet. Detta är uppenbart en väldigt grov förenkling av verkligheten, men i gengäld är sådana modeller i allmänhet relativt enkla att hantera; oftast behövs inte ens datorer till hjälp, utan ekvationerna kan lösas med papper och penna.



I min avhandling har jag använt mig av dessa två förenklade modeller för att studera grundläggande egenskaper hos polära vätskor. Bland annat har jag försökt besvara följande frågor:



Hur beter sig molekylerna i en polär vätska nära en yta, i till exempel ett glas vatten, jämfört med långt ifrån ytan?



Hur stor är den attraktiva kraften mellan två droppar av polär vätska, beroende på deras separation?



Hur kan vi bära oss åt för att snabba upp och på andra sätt förbättra datorberäkningarna när vi vill studera olika vätskemodeller?



Förhoppningsvis kan min forskning bidra med en liten del till den grundläggande förståelsen av polära vätskor i allmänhet och vatten i synnerhet. (Less)
Abstract
Fluids composed of dipolar molecules are ubiquitous in nature, with water being the most prominent example. Due to their great importance and large complexity, a basic scientific understanding of the structure and thermodynamics of polar fluids is essential. In this thesis, simple polar model fluids are investigated with the aim of adding a bit to this understanding. In particular, the topics addressed include (i) electrostatic fluctuations in polar fluids, in bulk as well as under confinement, (ii) van der Waals interactions between spherical bodies composed of permanent dipoles, and (iii) schemes for handling finite-size effects in computer simulations of polar fluids. In most of the studies, two different model systems are investigated,... (More)
Fluids composed of dipolar molecules are ubiquitous in nature, with water being the most prominent example. Due to their great importance and large complexity, a basic scientific understanding of the structure and thermodynamics of polar fluids is essential. In this thesis, simple polar model fluids are investigated with the aim of adding a bit to this understanding. In particular, the topics addressed include (i) electrostatic fluctuations in polar fluids, in bulk as well as under confinement, (ii) van der Waals interactions between spherical bodies composed of permanent dipoles, and (iii) schemes for handling finite-size effects in computer simulations of polar fluids. In most of the studies, two different model systems are investigated, namely (i) a dielectric continuum model, solved using analytical techniques, and (ii) a discrete point-dipole ("Stockmayer") model, solved using molecular simulations. Thus, an additional prospect of the studies is to assess the accuracy of the dielectric continuum approximation in different contexts. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Neumann, Martin, University of Vienna, Austria
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Polar fluids, Dielectric theory, van der Waals forces, Molecular simulation
pages
146 pages
publisher
Department of Chemistry, Lund University
defense location
Lecture hall B, Kemicentrum
defense date
2012-02-03 10:30
ISBN
978-91-7422-287-6
language
English
LU publication?
yes
id
670bb872-4fba-4771-adc5-5897e13903a0 (old id 2218672)
date added to LUP
2011-12-12 15:08:47
date last changed
2016-09-19 08:45:02
@phdthesis{670bb872-4fba-4771-adc5-5897e13903a0,
  abstract     = {Fluids composed of dipolar molecules are ubiquitous in nature, with water being the most prominent example. Due to their great importance and large complexity, a basic scientific understanding of the structure and thermodynamics of polar fluids is essential. In this thesis, simple polar model fluids are investigated with the aim of adding a bit to this understanding. In particular, the topics addressed include (i) electrostatic fluctuations in polar fluids, in bulk as well as under confinement, (ii) van der Waals interactions between spherical bodies composed of permanent dipoles, and (iii) schemes for handling finite-size effects in computer simulations of polar fluids. In most of the studies, two different model systems are investigated, namely (i) a dielectric continuum model, solved using analytical techniques, and (ii) a discrete point-dipole ("Stockmayer") model, solved using molecular simulations. Thus, an additional prospect of the studies is to assess the accuracy of the dielectric continuum approximation in different contexts.},
  author       = {Stenhammar, Joakim},
  isbn         = {978-91-7422-287-6},
  keyword      = {Polar fluids,Dielectric theory,van der Waals forces,Molecular simulation},
  language     = {eng},
  pages        = {146},
  publisher    = {Department of Chemistry, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Theoretical Studies of Simple Polar Fluids},
  year         = {2012},
}