Dominik Schäfer

• Molecular simulation is an important tool for investigating the behavior of fluids and solids. Nanoscopic processes and physical properties of the material can be studied predictively based on the description of the molecular interactions by force fields. This is used in the present work to tackle engineering questions that are hard to answer with other methods. First, mass transfer at fluid interfaces was investigated on the nanoscopic level. Therefore, two distinct simulation methods were developed and used to systematically investigate the mass transfer in mixtures of simple model fluids, described by the ‘Lennard-Jones truncated and shifted’ (LJTS) potential. The research question was whether the adsorption of components at the interface, which is observed also in many simple fluid mixtures, has an influence on the mass transfer. Such an influence was indeed found in the studies with both scenarios. Furthermore, explosions of nanodroplets caused by a spontaneous evaporation of the liquid phase were investigated with non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. In these simulations, the interior of an LJTS droplet was superheated by a local thermostat, so that a vapor bubble nucleated inside of the droplet. Depending on the degree of superheating, different phenomena were observed, ranging from a simple evaporation of the droplet over oscillatory behavior of the bubble to an immediate droplet explosion. For molecular simulations of real mixtures, suitable force fields are needed. In this work, a set of molecular models for the alkali nitrates was developed and systematically compared to experimental data of thermophysical and structural properties of aqueous alkali nitrate solutions from the literature. Lastly, the structure and clustering of 1:1 electrolytes in aqueous solution was investigated for a broad concentration range starting from near infinite dilution up to high supersaturation. Based on the simulation results, an empirical rule was proposed to provide estimates of the solubility of salts with standard molecular dynamics simulations without the need of elaborate calculation schemes or significant additional computational effort.
• Die molekulare Simulation ist ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung des Verhaltens von Fluiden und Feststoffen. Nanoskopische Prozesse und physikalische Stoffeigenschaften können basierend auf der Beschreibung der molekularen Wechselwirkung der verwendeten Kraftfelder prädiktiv untersucht werden. Dies wird in der vorliegenden Arbeit verwendet, um technische Fragen zu anzugehen, die mit anderen Methoden nur schwer zu beantworten sind. Zunächst wurde der Stofftransport an Phasengrenzflächen auf der nanoskopischen Ebene untersucht. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Simulationsmethoden entwickelt und verwendet, um systematisch den Stofftransport in Mischungen einfacher Modellfluide zu untersuchen, die durch das ‘Lennard-Jones truncated and shifted’ (LJTS) Potential beschrieben werden. Die Leitfrage war, ob die Adsorption von Komponenten an der Grenzschicht, welche für viele Mischungen einfacher Fluide beobachtet wird, einen Einfluss auf den Stofftransport hat. Ein solcher Einfluss wurde in den Studien mit beiden Szenarien gefunden. Des Weiteren wurden Explosionen von Nanotropfen, die durch das spontane Verdampfen der Flüssigphase verursacht wurden, in molekulardynamischen Nichtgleichgewichtssimulationen (NEMD) untersucht. In diesen Simulationen wurde das Innere eines LJTS-Tropfens durch ein lokales Thermostat überhitzt, sodass sich eine Gasblase im Inneren des Tropfens bildete. Abhängig vom Grad der Überhitzung wurden verschiedene Phänomene beobachtet: von einfacher Verdampfung über ein oszillatives Verhalten der Gasblase bis hin zu der sofortigen Explosion des Tropfens. Für die molekulare Simulation realer Mischungen werden geeignete Kraftfelder benötigt. In dieser Arbeit wurde ein Satz molekularer Modelle für die Alkalinitrate entwickelt und systematisch mit experimentellen Daten thermophysikalischer und struktureller Eigenschaften der wässrigen Lösung von Alkalinitraten aus der Literatur verglichen. Abschließend wurde die Struktur und Clusterbildung von 1:1 Elektrolyten in wässriger Lösung in einem breiten Konzentrationsbereich beginnend bei nahezu unendlicher Verdünnung bis hin zu hoher Übersättigung untersucht. Auf Basis der Simulationsergebnisse wurde eine empirische Regel aufgestellt, um die Salzlöslichkeit abzuschätzen, ohne dedizierte und rechenzeitintensive Samplingverfahren anwenden zu müssen.