I have studied the structure and properties of liquid state using molecular dynamics simulations method. The major points I have dealt with are structural changes of water induced by an external electric field and the curvature dependence of the surface tension of argon liquid.
At first, using molecular dynamics simulations with the rigid TIP4P water model, I have analyzed the structural change of liquid water induced by an external electric field. The temperature was controlled with a Nose-Hoover thermostat. From this simulation study, I found liquid water with the enhanced structural regularity by applying an electric field could be acquired. Through the simulations under various strengths of the electric field, I can see that the threshold for the significant structural change is thought to be between 0.2 and 0.15 V/Å. When the number of six-membered rings is increased by the external electric field, so that water is forced to have structural regularity, I calculate the diffusion coefficients and discover that water I make in the simulations is not solid but still liquid under the electric field.
Secondly, I present the first molecular dynamics simulation study of vapor bubbles. Molecular dynamics simulations are carried out to examine the curvature dependence of the surface tension for argon vapor bubble as well as liquid droplet. Using the Irving-Kirkwood pressure tensor, I calculate the surface tension and the surface of tension by two thermodynamic methods. The results for the surface tension of droplet show that the surface tension decreases with decreasing droplet radius. On the other hand, the surface tension of vapor bubble increases with decreasing bubble radius.
액체 상태에 대하여 분자동력학적 모의실험을 행하여 액체 상의 분자 구조와 열역학적 성질들을 계산하였다. 계산에서 주요하게 다룬 내용은 외부 전기장에 의한 물 구조의 변화와 아르곤 액체의 표면장력의 곡률에 대한 의존성이다.
첫째로, TIP4P 물 모델을 적용한 분자동력학적 모의실험을 진행하여 외부에서 전기장을 가하였을 때 물 구조가 어떻게 변화하는 지를 분석하였다. Nose-Hoover thermostat 알고리즘으로 시스템의 온도를 조절하였다. 이 모의실험 결과를 통하여 외부에서 전기장을 가하면 물의 구조가 구조적으로 규칙성이 향상되는 모습을 볼 수 있었다. 여러 가지 세기의 전기장을 가해보면 전기장의 세기가 0.2 V/Å ~ 0.15 V/Å 정도 이상이 되어야만 구조 변화가 일어나는 것을 알 수 있었다. 외부 전기장을 가해주어 물 내에 6각형 고리구조의 개수가 증가하면서 구조적인 규칙성이 증가했을 때 확산 계수를 계산해보면 전기장을 가해주지 않았을 때의 액체의 확산 계수보다는 작아지지만 고체 상태의 확산 계수보다는 여전히 크기 때문에 액체 상태가 유지되는 것을 알 수 있다.
둘째로, 액체 속에 형성된 기포의 분자동력학적 모의실험을 하였다. 액체 방울에 대한 모의실험은 많이 있었지만 기포에 대한 모의실험은 처음으로 시도 되었다. 주요 목적은 아르곤 액체 방울뿐만 아니라 기포 표면의 표면장력의 곡률 의존성을 계산하기 위함이었다. Irving-Kirkwood 의 압력 텐서 정의를 사용해서 표면장력과 장력표면을 두 가지의 열역학적 방법을 따라 계산하였다. 액체 방울의 경우 반지름이 커질수록 표면장력이 점점 작아지고, 반면에 기포는 반지름이 작아질수록 표면장력이 커짐을 알 수 있었다.
