Computer simulation study of the diffusion of water molecules confined in silica gel

Abstract

The molecular dynamics simulations are used to study the dynamic properties of SPC/E water molecules confined in silica gel. The model proposed in this study covers three main features that characterize systems of that kind: the excluded volume due to the substrate presence, strong attraction between pore surface and water molecules, randomness of confinement structure. The gel-like structure is modelled as an array of silica composite spheres that are randomly dispersed in volume. Therefore, the spherical SiO₂ composite bearing silanol groups on the surface is designed as an element of the porous medium of silica gel. The diffusion coefficients of water molecules are calculated at different temperatures and water densities. To illustrate the model proposed and the behavior of molecules near the pore surface, several snapshots are presented.

Методом молекулярної динаміки проведено дослідження, в межах якого вивчалася поведінка молекул води, що знаходяться в порах силікагелю. В запропонованій моделі основну увагу було зосереджено на основних аспектах, що характеризують системи такого типу, а саме: ефект виключеного об’єму, за рахунок присутності матеріалу, що формує пори; сильна притягальна взаємодія між стінками пор та молекулами рідини; невпорядкована структура пор. Гелеподібну структуру було представлено у вигляді випадково розташованих сферичних композитів кремнезему. Для цього було приготовано композити SiO₂, на поверхні яких були розташовані сіланольні групи. Таким чином, пораховано значення коефіцієнтів дифузії молекул води при різних температурах та густинах води. Також представлено декілька миттєвих знімків системи, щоб продемонструвати запропоновану модель а також поведінку молекул поблизу поверхні пор.