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문제 정의
MD에 대한 기본적인 사항은 이미 본 저널에서 소개된 적이 있으므로1)여기서는 미세 유체역학과 관련된 측면을 중심으로 다루고자 한다.기존의 유체역학은 연속체 (continuum) 가정을 바탕에 두고 있다.
가설 설정
즉, 유체역학의 가장 핵심적인 성과 중의 하나인 Navier-Stokes 식 (N-S식) - 점성을 가지는 유체의 운동방정식 - 과 안 미끄러짐 (no-slip) 경계조건 - 고체면에서 유체는 평행한 방향으로 동일한 속도를 가진다는 조건 - 은 연속적인 물체에 대한 관계식이며, 그것을 근본적으로 구성하는 분자들의 특성은 표면적으로 드러나지 않는다. Stokes가 N-S식을 유도할 때 분자들의 개체적이고 무작위한 특성이 거시적인 관점에서 평균적으로는 연속적이고 균일하며 등방성을 가질 것이라고 가정하였다. 그러나 분자의 존재를 완전히 무시할 수는 없다.
제안 방법
다음으로는 MD가 직접 적용된 예들을 각 연구들의 특징들을 증심으로 서술하도록 하 겠다. 다음에 소개될 두 연구는 MD로 미세 유체시스템 전체를 구현한 예들이다.
먼저 미세유체역학에서 다루어지는 일반적인 대상들의 예시를 통해 다양한 크기들에 대한 이해를 돕도록 하겠다. 프린터에 쓰이는 잉크젯에서는 작게는 피코리터 (pico liter: 10"12L) 단위의 잉크 방울들이 분사된다.
분자적으로 균일한 고체 표면에서 탈습윤은 그림 3에서 볼 수 있듯이 반원 모양의 테두리가 형성되어 이것이 증가하면서 진행되며 거시적인 현상과 일치한다. 반면에 주로 현상학적으로 주어지는 탈습윤율의 값을 직접 제공하였다.
연속체 모 델은 이와 같은 시스템에 대해 유동특성의 큰 변화와 분자적 특성까지 모델링에 포함 해야 하는 어려움을 갖는다. 시뮬레이션은 약 10만 개의 분자로 약 2ns 정도 진행되 며 병렬연산방식이 적용되었다. 나노젯이 구동되기 위한 디자인 인자들이 제시되었고 미소크기에서 중요하게 부각되는 특성도 파악되었다.
이것은 프린팅, 나노주사(nano syringe ejection), 나노 제조공정 등에 많은 응용 분야를 가지고 있다. 여기서는 금으로 만들 어진 노즐을 통해 프로판이 분출되어 유체 방울을 생성하는 과정을 모사하였다(그림 1 참조). 노즐 나부에서는 약 500MPa의 압 력과 150K의 온도가 주어졌다.
이론/모형
경우가 많다. 이에 대한 성능예측이나 해석은 주로 N-S식과 Poisson- Boltzmann 식(이온분포와 전기장간의 관계를 정의한 식)을 바탕으로 삼는다. 이것은 역시 연속체 가정에 근거한 것으로 이온의 크기를 극미하게 보고 내부(bulk)영역에 대한 모델을 세운 것이다.
성능/효과
그림 5는 액체와 고체의 경계면에서 운동량전달 특성을 분자적으로 고찰한 내용이다⑺ 기체나 중합체의 경우에서 안 미끄러짐 조건은 이미 보완되어 사용되고 있지만 액체의 경우도 일반적인 조건으로 볼 수 없으며 미끄러짐 (slip) 조건의 최소 한계 값임을 보여준다. 기체/고체 경계면에 대한 모델로 시작된 Navier 조건(미끄러짐 양이 전단응력에 비례해 증가하는 조건)을 적용하여 그 미끄러짐 길이(slip length)의 특성을 살펴보면 분자 상호간의 에너지와 분자 크기 및 격자구조 등이 지배적으로 작용하며, 이들 인자들에 의한 영향을 하나의 곡선으로 포괄할 수 있음이 발견되었다.
이 적혈구 안에는 산소를 운반하는 헤모글로빈이라는 단백질이 포함되어 있고 활성 상태의 직경을 약 5nm(lnm=10-9m) 정도로 볼 수 있다. 마지막으로, 물 분자는 평균Van der Waals 직경으로 약 2.82A(1A =10T°m)의 크기이다. MD에서는 이런 분자들의 궤적을 직접 계산한다.
후속연구
예를 들어 MD에서의 정보를 중간크기 (meso scale)의 경제적인 모델에 제공하고 그 모델을 직접적으로 문제를 해결하는 데 사용하는 것이 한 방법이다. 즉, 한 문제 내에서 MD와 연속체 모델을 연결시켜 동시에 푸는 것도 가능할 것이다. 이와 관련된 연구들은 단순한 유동에 대해서는 성공한 사례도 등장한다.
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