A Quantitative Multiscale Approach to Nanofluidics

Thumbnail Image

Files

isbn9789526051994.pdf (1.53 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-05-24
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2013

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

103 + app. 105

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 94/2013

Abstract

Nanofluidics is a cross-disciplinary field of science that deals with the controlled transport of small amounts of fluid in confined geometries. Due to the confinement, interactions with the channel walls are a dominant factor in the physics of the system and the size of the solute being transported with respect to the channel dimensions is highly relevant for the observed behavior.  Multiscale modeling of soft matter system has become a popular approach of addressing problems that involve disparate time and length scales. However, such models are seldom quantitatively accurate and may contain algorithmic (fitting) parameters whose values are not physically justified. Here, we develop a multiscale model that couples a fluctuating Lattice-Boltzmann solvent and molecular dynamics particles of finite size. We consider in detail how thermal fluctuations should be implemented in the solvent model. Most importantly, we entertain the question of how the coupling should be calibrated in order for the solute particles to have a well-defined hydrodynamic size. We do this by requiring the hybrid model to reproduce both several well-known hydrodynamic steady states, which are sensitive to the particle size but do not depend on fluctuations, and several consistency checks, which do. The dissipation of energy due to the coupling is examined as well.  The model is applied to five different cases. First, porous particles oscillating in a quiescent fluid are examined and new analytical expressions for the hydrodynamic force on porous particles are derived in the case of two different internal mass distributions. We then study colloids bifurcating in a letter T-shaped microfluidic channel. Second, the model is examined in the context of polymers and nanofluidics in the limit where thermal fluctuations are important. We verify the computational model in bulk by reproducing both static and time-dependent results of polymer physics. The necessity of hydrodynamic boundary conditions for agreement with experiments is observed when a lone polymer is confined into a thin film. Last, polymers driven in a corrugated nanochute by a pressure differential are found to exhibit entropic trapping and length and topology-dependent mobilities.

Nanofluidistiikka on poikkitieteellinen tutkimusala, jossa pyritään pienten nestemäärien hallittuun kuljetukseen kanavissa, joiden halkaisija on tyypillisesti samaa suuruusluokkaa kuin nesteen mukana kulkeutuvien hiukkasten. Kanavien ahtaudesta johtuen neste ja sen kuljettama liue vuorovaikuttaa voimakkaasti kanavan seinien kanssa, millä on suuri vaikutus systeemin fysikaalisiin ominaisuuksiin.  Moniskaalamallinnuksesta on tullut suosittu työkalu pehmeän aineen fysiikan ongelmissa, jotka kattavat useita dekadeja aika- ja pituusasteikolla. Kyseiset mallit eivät tyypillisesti ole kvantitatiivisen tarkkoja ja ne saattavat sisältää malliparametreja, joiden arvot eivät ole fysikaalisin perustein valittuja. Tässä väitöskirjatyössä kehitetään moniskaalamalli, joka kytkee fluktuoivan hila-Boltzmann -nesteen molekyylidynamiikkamenetelmällä mallinnettavaan hiukkasfaasiin. Työssä kiinnitetään erityishuomiota nestemalliin lisättävän lämpöhuojunnan toteutukseen sekä nesteen ja hiukkasten väliseen kytkentään, mihin mallin kvantitatiivisuus osittain perustuu. Kytkentä kalibroidaan vaatimalla useiden termisistä fluktuaatioista riippumattomien, mutta hiukkasen koosta riippuvien jatkuvien olotilojen toteutumista. Kalibroitu systeemi läpäisee lukuisia lämpöhuojunnasta ja hiukkasen koosta riippuvia kokeita, joissa hiukkasen hydrodynaamisen säteen havaitaan olevan sopusoinnussa kalibroidun arvon kanssa. Energian dissipaation ja kytkennän yhteyttä tutkitaan myös.  Mallia sovelletaan viiteen esimerkkitapaukseen. Näistä ensimmäisessä tutkitaan nesteessä värähteleviin huokoisiin hiukkasiin kohdistuvia hydrodynaamisia voimia kahden eri massajakauman tapauksessa. Toinen systeemi, jossa termisiä fluktuaatioita ei tarvitse ottaa huomioon, liittyy mikrofluidistiikan alaan ja käsittelee kolloidien virtausta T-kirjaimen muotoisessa haarassa. Mallia sovelletaan lisäksi polymeerifysiikkaan ja nanofluidistiikkaan, missä termiset fluktuaatiot ovat tärkeitä. Mallin toimivuus varmistetaan ensin bulkissa. Hydrodynaamisten reunaehtojen tarpeellisuus huomataan, kun neste ja polymeeri laitetaan kahden samansuuntaisen seinän väliseen rakoon. Viimeinen esimerkkitapaus käsittelee paine-erolla aikaansaatua nestevirtausta kanavassa, jonka poikkileikkaus koostuu vuorottelevista kapeikoista ja leveistä osista. Virtauksen, termisten fluktuaatioiden ja kanavan muodon yhteisvaikutuksen huomataan johtavan polymeerin pituudesta ja rakenteesta riippuvaan liikkuvuuteen.

Description

Supervising professor

Ala-Nissilä, Tapio, Prof, Aalto University, Finland
Denniston, Colin, Prof., University of Western Ontario, Canada

Thesis advisor

Denniston, Colin, Prof., University of Western Ontario, Canada
Ala-Nissilä, Tapio, Prof., Aalto University, Finland

Keywords

nanofluidics, microfluidics, Lattice Boltzmann, hydrodynamics, consistency, nanofluidistiikka, mikrofluidistiikka, hila-Boltzmann, hydrodynamiikka

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Santtu T. T. Ollila, Tapio Ala-Nissila and Colin Denniston. Hydrodynamic forces on steady and oscillating porous particles. Journal of Fluid Mechanics, 709 pp. 123-148, October 2012.
  • [Publication 2]: Santtu T. T. Ollila, Colin Denniston and Tapio Ala-Nissila. One and two-particle dynamics in microfluidic T-junctions. Phys. Rev. E(R), (5 pages), Submitted 23 April 2013.
  • [Publication 3]: Santtu T. T. Ollila, Colin Denniston, Mikko Karttunen and Tapio Ala-Nissila. Fluctuating lattice-Boltzmann model for complex fluids. Journal of Chemical Physics, 134 064902, February 2011.
  • [Publication 4]: Santtu T. T. Ollila, Christoper J. Smith, Tapio Ala-Nissila and Colin Denniston. The hydrodynamic radius of particles in the hybrid Lattice Boltzmann – Molecular Dynamics method. Multiscale Model. Simul., 11 pp. 213-243, January 2013.
  • [Publication 5]: Santtu T. T. Ollila, Colin Denniston, Mikko Karttunen and Tapio Ala-Nissila. Hydrodynamic Effects on Confined Polymers. Soft Matter, 9 pp. 3478-3487, January 2013.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5199-4

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI