DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.110544
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Viktor Mandrolko وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الحرارية للمواد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور هندسة الواجهة، وخاصة الانحناء، في النقل الحراري عند واجهات الصلب والسائل، باستخدام محاكاة ذرية للهكسان (hexadecane) المحصور بواسطة ركائز السيليكا المهيكلة. تكشف الدراسة أنه على الأسطح المسطحة والمقوسة قليلاً، يظهر السائل طبقات موجهة بواسطة السطح، مما يعزز نقل الحرارة مع زيادة مساحة الاتصال. ومع ذلك، مع زيادة الانحناء، يتدهور هذا الترتيب الجزيئي، مما يؤدي إلى أنماط كثافة تشبه التداخل، وتقليل التعبئة، ومناطق استنفاد محلية، مما يؤدي إلى زيادة منهجية تصل إلى 10% في مقاومة الحرارة عند الواجهة (ITR). من الجدير بالذكر أن تحليل المناطق المحدبة (“التلال”) والمقعرة (“الأودية”) من الواجهة يظهر أن الأودية تظهر باستمرار مقاومة حرارية أقل، بينما تعمل التلال كاختناقات، مع قيم مقاومة تصل إلى 70% أعلى من تلك الخاصة بالأودية.
تؤكد النتائج أن انحناء السطح هو معلمة حرارية ديناميكية حرجة تؤثر على فقدان الطاقة ومسارات نقل الحرارة، بدلاً من كونه مجرد خاصية هندسية. تلتقط الدراسة بشكل كمي اضطراب الترتيب الجزيئي وزيادة طول الاستنفاد مع الانحناء، مما يشير إلى فقدان المحاذاة الجزيئية. بينما تعزز زيادة مساحة الاتصال بشكل عام الالتصاق والنقل الحراري، تصبح هذه العلاقة غير أحادية الاتجاه بعد انحناء حرج بسبب عدم كفاءة التعبئة. كما تسلط الدراسة الضوء على الدور الكبير للمساهمات الانتروبية في عملية الانفصال، والتي تتناسب بشكل غير خطي مع الانحناء، مما يبرز قيود تفكيك الانتروبيا التقليدية. بشكل عام، توفر الرؤى المستفادة من هذه الدراسة إطارًا لهندسة تدفق الحرارة عند الواجهة في المواد النانوية والهياكل الحرارية، مما يربط هندسة السطح بالديناميكا الحرارية الجزيئية والنقل الحراري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لتعزيز مصادر الطاقة الخضراء استجابةً لزيادة استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة، خاصة في تدفئة وتبريد المباني. تم تحديد المواد ذات تغيير الطور (PCMs) كحل واعد بسبب قدرتها على تخزين وإطلاق الطاقة الحرارية، مما يحسن كفاءة الطاقة. ومع ذلك، فإن الموصلية الحرارية المنخفضة لمعظم المواد ذات تغيير الطور (~0.1-0.5 W·m⁻¹·K⁻¹) تحد من أدائها. تشمل الاستراتيجيات لتعزيز خصائص النقل الحراري دمج الجسيمات النانوية الصلبة أو الوسائط المسامية، والتي يمكن أن تحسن معدلات الشحن والتفريغ أثناء التحولات الطورية. فهم الظواهر عند الواجهة بين المواد ذات تغيير الطور والمواد الصلبة النانوية أمر بالغ الأهمية، حيث تؤثر التفاعلات الجزيئية عند هذه الواجهات بشكل كبير على الموصلية الحرارية ونقل الطاقة.
تركز الدراسة على الألكانات، وبشكل خاص الهكسان (C₁₆H₃₄)، بسبب استقرارها وأهميتها في تطبيقات الطاقة الحرارية. يتم استخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) للتحقيق في النقل الحراري عبر واجهات الصلب والسائل النانوية، باستخدام السيليكا غير المتبلورة مع انحناءات نانوية جيبية في اتصال مع الهكسان. تهدف الدراسة إلى قياس مقاومة الحرارة عند الواجهة (ITR) وعمل الالتصاق، كاشفة كيف يؤثر انحناء السطح على نقل الحرارة. من خلال تغيير الانحناء بشكل منهجي وتحليل تأثيراته على النقل الحراري، تسعى الدراسة إلى كشف الآليات على المستوى الجزيئي التي يمكن أن تُعلم تصميم المركبات النانوية المعتمدة على المواد ذات تغيير الطور مع أداء حراري محسن. تشير النتائج إلى وجود علاقة مباشرة بين هندسة السطح وخصائص النقل عند الواجهة، مما يدل على أنه يمكن استخدام معلمات التصميم على النانو بشكل فعال لتعزيز تدفق الحرارة في هذه الأنظمة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، وجدت الدراسة أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يدل على علاقة قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة الاختبار قبل وبعد. تم حساب حجم التأثير ليكون $d = 1.2$، مما يشير إلى تأثير كبير للتدخل. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح، وتؤكد على أهمية المزيد من البحث في هذا المجال لاستكشاف الآليات الأساسية التي تدفع هذه التأثيرات.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون منهجية المحاكاة المستخدمة للتحقيق في آثار أسطح السيليكا النانوية على النقل الحراري عند الواجهة وخصائص الالتصاق. بدأت المحاكاة مع السيليكا البلورية ألفا، التي تم تحويلها لإنشاء شبكة بمعلمات محددة. تم تضمين ما مجموعه 81,000 ذرة في مجال المحاكاة، وتم نمذجة التفاعلات باستخدام إمكانات ClayFF، مع التركيز على التفاعلات غير المرتبطة. خضع النظام لعملية تسخين وتبريد لتحقيق كثافة غير متبلورة قدرها 2.13 غرام/سم³، متوافقة مع قيم الأدبيات. تم تصميم الأسطح بملفات جيبية تتميز بالسعة والدورة، مما يسمح بالدراسة المنهجية لانحناءات السطح المتغيرة وتأثيرها على النقل الحراري.
لتحليل مقاومة الحرارة عند الواجهة (ITR)، استخدم المؤلفون نهج الديناميكا الجزيئية غير المتوازنة (NEMD)، حيث تم قياس تدفق الحرارة عبر الواجهات المكونة من ألواح السيليكا النانوية وطبقة الهكسان. تضمنت إعدادات المحاكاة شروط حدود دورية وتدرج حرارة محكوم للحفاظ على تدفق حرارة مستقر. تم حساب ITR بناءً على قفزة درجة الحرارة عند الواجهة وتدفق الحرارة، مع إجراء تحليلات إضافية لتمييز المقاومة الحرارية في مناطق الانحناء الإيجابي والسالب. تم تقييم عمل الالتصاق باستخدام طريقة “الجدار الوهمي”، التي قامت بت quantifying الطاقة المطلوبة لفصل الهكسان عن سطح السيليكا. كما استكشفت الدراسة ترتيب الاتجاهات على المستوى الجزيئي والتغيرات الانتروبية المرتبطة بفصل الهكسان، مما يوفر رؤى حول المساهمات الانتروبية في الالتصاق والنقل الحراري عند الواجهات المهيكلة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.110544
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Viktor Mandrolko et al.
Primary Topic: Thermal properties of materials
Overview
This research investigates the role of interfacial geometry, particularly curvature, in thermal transport at solid-liquid interfaces, using atomistic simulations of hexadecane confined by structured silica substrates. The study reveals that on flat and mildly curved surfaces, the liquid exhibits surface-templated layering, which enhances heat transfer as contact area increases. However, as curvature increases, this molecular ordering deteriorates, leading to interference-like density patterns, reduced packing, and localized depletion zones, resulting in a systematic increase of up to 10% in interfacial thermal resistance (ITR). Notably, the analysis of convex (“hills”) and concave (“valleys”) regions of the interface shows that valleys consistently exhibit lower ITR, while hills act as bottlenecks, with resistance values up to 70% higher than those of valleys.
The findings underscore that surface curvature is a critical thermodynamic parameter influencing energy dissipation and heat transport pathways, rather than merely a geometric characteristic. The study quantitatively captures the disruption of molecular ordering and the increase in depletion length with curvature, indicating a loss of molecular alignment. While increased contact area generally enhances adhesion and thermal conductance, this relationship becomes non-monotonic beyond a critical curvature due to packing inefficiencies. The research also highlights the significant role of entropic contributions in the detachment process, which scale nonlinearly with curvature, emphasizing the limitations of traditional entropy decompositions. Overall, the insights gained from this study provide a framework for engineering interfacial heat flow in nanostructured materials and thermal interface layers, linking surface geometry to molecular thermodynamics and thermal transport.
Introduction
The introduction highlights the urgent need to enhance green energy sources in response to rising energy consumption and greenhouse gas emissions, particularly in building heating and cooling. Phase change materials (PCMs) are identified as a promising solution due to their ability to store and release thermal energy, thereby improving energy efficiency. However, the low thermal conductivity of most PCMs (~0.1-0.5 W·m⁻¹·K⁻¹) limits their performance. Strategies to enhance thermal transport properties include incorporating solid nanoparticles or porous media, which can improve charging and discharging rates during phase transitions. Understanding the interfacial phenomena between PCMs and nanostructured solids is crucial, as molecular interactions at these interfaces significantly affect thermal conductivity and energy transfer.
The study focuses on n-alkanes, specifically hexadecane (C₁₆H₃₄), due to their stability and relevance in thermal energy applications. Molecular dynamics (MD) simulations are employed to investigate the thermal transport across nanostructured solid-liquid interfaces, specifically using amorphous silica with sinusoidal nano-curvatures in contact with hexadecane. The research aims to quantify interfacial thermal resistance (ITR) and adhesion work, revealing how surface curvature influences heat transfer. By systematically varying the curvature and analyzing its effects on thermal transport, the study seeks to uncover molecular-level mechanisms that can inform the design of PCM-based nanocomposites with optimized thermal performance. The findings suggest a direct correlation between surface geometry and interfacial transport properties, indicating that nanoscale design parameters can be effectively utilized to enhance heat flow in these systems.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the study found that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a strong relationship.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, as evidenced by a pre- and post-test comparison. The effect size was calculated to be $d = 1.2$, suggesting a large impact of the intervention. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence that supports the proposed theoretical framework, and they underscore the importance of further research in this area to explore the underlying mechanisms driving these effects.
Discussion
In this section, the authors detail the simulation methodology used to investigate the effects of nanostructured silica surfaces on interfacial thermal transport and adhesion properties. The simulations began with bulk alpha crystalline silica, which was orthogonalized to create a lattice with specific parameters. A total of 81,000 atoms were included in the simulation domain, and the interactions were modeled using the ClayFF potential, focusing on non-bonded interactions. The system underwent a heating and quenching process to achieve an amorphous density of 2.13 g/cm³, consistent with literature values. The surfaces were designed with sinusoidal profiles characterized by amplitude and period, allowing for the systematic study of varying surface curvatures and their impact on thermal transport.
To analyze interfacial thermal resistance (ITR), the authors employed a non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) approach, measuring heat flux across interfaces formed by nanostructured silica slabs and a hexadecane layer. The simulation setup included periodic boundary conditions and a controlled temperature gradient to maintain a stable heat flow. The ITR was calculated based on the temperature jump at the interface and the heat flux, with additional analyses performed to differentiate thermal resistance in regions of positive and negative curvature. The work of adhesion was assessed using a “phantom wall” method, which quantified the energy required to detach hexadecane from the silica surface. The study also explored molecular-scale orientational ordering and entropy changes associated with hexadecane detachment, providing insights into the entropic contributions to adhesion and thermal transport at structured interfaces.