DAILY PAPER REVIEW

0113_Entropy and the driving force for the filling of CNTs with water

 

 

1. Title & Journal
Title : Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water

Journal : PNSA July 19, 2011 vol. 108 no. 29 11794-11798

2. Background of author
Tod A. Pascal a,b, William A. Goddard a,b, and Yousung Jung a
a Graduate School of Energy, Environment, Water, and Sustainability, KAIST
b Materials and Process Simulation Center, Caltech

3. Summary
Nanofluidics와 nanofiltration은 센서, 해수담수화, 에너지 저장 장치 등에 적용되는 기술로 각광 받고 있다. 이 중 CNT는 높은 전도성을 가진 물질로 다양한 구조와 형태 변형이 가능하다. 또한, 최근 실험을 통해 소수성의 CNT 주변의 물은 스스로 CNT 안으로 빨려 들어간다는 사실이 알려졌다. 본 연구팀은 0.8-2.7 nm 지름의 CNT에 대해 MDS를 수행하여, 이로부터 얻은 엔트로피, 엔탈피, 자유 에너지 값을 통해 CNT안으로 물이 빨려 들어가는 현상에 대해 규명하였다. 

모든 크기의 CNT 내부의 물은 바깥에 위치한 bulk 보다 안정적이나 CNT크기에 따라 내부의 물의 특징이 바뀐다.
1) small CNT (0.8-1.0 nm) : rotational, translational 엔트로피 (Stot = Strans + Srot + Svib, Svib = 0)는 모두 안정한 상태의 vapor-like phase.
2) medium-sized CNT (1.1-1.2 nm) : CNT안의 물의 형상이 얼음과 같이 5각형 (1.1 nm), 6각형 (1.2 nm)을 이루며, 엔탈피가 안정한 상태의 ice-like phase.
3) large CNT (larger than 1.4 nm) : 1.2nm 이상에서 bulk와 거의 유사한 ΔSrot 을 가지고, ΔStrans 는 1.4 nm 이상에서 CNT 크기 증가에 따라 증가하여 안정한 상태를 이룬다.

이와 같이, 크기에 따라 다른 특징이 있지만, medium-sized CNT를 제외한 나머지 크기의 CNT에서는 엔트로피가 증가하여 bulk 보다 안정한 상태이다. 비록 medium-sized CNT가 enthalpy dominant한 성향을 보이나, 자유에너지 값이 작기 때문에 마찬가지로 바깥보다 더 안정하여 상대적으로 불안정한 bulk의 물 분자 스스로 CNT안으로 빨려 들어감을 알 수 있었다. 
또한, SPC-E water model과 M3B, mW water model을 적용한 시뮬레이션을 통해, bulk water의 tetrahedral 구조가ΔStrans 를 증가시킴을 알 수 있었다. 

4. Originality & Application
본 연구는 실험을 통해서 밝혀진 소수성 CNT 외부에서 물이 스스로 빨려 들어가는 현상에 대해, 분자 동력학적 접근을 통해 그 현상을 설명하였다. 
해수담수화 및 정수막 연구에 본 연구 결과를 도입하면, CNT 구조 및 크기에 대한 MDS를 수행하여 최적 값을 도출한 후 CNT blended-membrane의 성능 모사와 같은 연구가 진행 될 수 있을 것으로 보인다. 

5. Reviewer contact : 김영미 (youngmikim@gist.ac.kr)

첨부 (1)
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