Numerieke modellering is een tak van de wetenschap die alle methoden omvat waarmee het gedrag van materie kan worden voorspeld met behulp van computerbronnen. Deze methoden vormen een aanvulling op experimentele chemie en natuurkunde en worden vaak gebruikt om het werk van experimentatoren te begeleiden of om het begrip van meer fundamentele mechanismen op verschillende schalen te verbeteren.

Voor het ThermoHarv-project is moleculaire dynamica gekozen als een van deze numerieke methoden om warmtetransport in composietmaterialen op basis van polyurethaan en koolstofnanobuisjes te begrijpen. Moleculaire dynamica maakt gebruik van fundamentele natuurkundige wetten om het gedrag van materie op moleculair niveau te voorspellen, namelijk de wetten van Newton. Door alle krachten en snelheden te kennen die een atoom in een molecuul op een bepaald moment ondervindt, kan moleculaire dynamica de positie en snelheid van dat atoom op het volgende moment voorspellen. Door dit proces te herhalen voor alle atomen in een systeem, kan moleculaire dynamica, met behulp van krachtige computers, uiteindelijk de eigenschappen van een systeem voorspellen.

Une armoire de serveurs, châssis empilés et faisceaux de câbles colorés
Illustratie van een rekenmachine van de UMONS
Trois longues chaînes d'atomes, carbones sombres et hydrogènes bleus, sur fond violet
Polymeer (polyethyleen) gemodelleerd in moleculaire dynamica

Binnen het ThermoHarv-project stelt het gebruik van moleculaire dynamica ons in staat een belangrijke grootheid te bepalen die warmtetransport in een materiaal karakteriseert: de thermische geleidbaarheid. Hiervoor wordt het te bestuderen moleculaire systeem in twee delen verdeeld, een deel wordt verwarmd en het andere wordt gekoeld. Vervolgens vindt thermische relaxatie plaats, wat resulteert in een warmtestroom (Q) van het warme naar het koude gebied. Door een andere fundamentele natuurwet, de wet van Fourier, op deze warmtestroom toe te passen, verkrijgen we uiteindelijk de thermische geleidbaarheid van het systeem.

De warmtestroom Q geeft, via de wet van Fourier, de thermische geleidbaarheid

Op deze manier maakt numerieke modellering het mogelijk het gedrag van de experimenteel bestudeerde materialen van ThermoHarv te voorspellen en ons begrip van waargenomen trends en de prestaties van het apparaat te verbeteren.

Dit werk wordt uitgevoerd door Louis DUHAYON aan de Universiteit van Mons; zijn profiel is te vinden op deze pagina.