Structure of the hydrogen fluoride liquid/vapour interface investigated using molecular dynamics simulations

Fluorwasserstoff ist eine der einfachsten molekularen Flüssigkeiten, die sich jedoch durch seine lineare Geometrie und seinen ausgeprägten dipolaren Charakter auszeichnet. Trotz der einfachen Molekülstruktur unterscheiden sich die Eigenschaften der flüssigen Phase deutlich von anderen molekularen Flüssigkeiten. Fehlendes Verständnis dieser Besonderheit liegt besonders in der Limitation der experimentellen Untersuchung von Fluorwasserstoff begründet. In dieser Arbeit wird, unter Verwendung von Molekular-Dynamik Simulationen, die Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase von Fluorwasserstoff untersucht. Um die Simulation dieses Systems zu ermöglichen, wird ein bestehendes polarisierbares Model für Fluorwasserstoffmittels eines klassischen Drude Oszillatorsmodifiziert. Die hier präsentierten Ergebnisse sind die erste mikroskopischen Studie der Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase bei Fluorwasserstoff. Das Modell reproduziert qualitativ die experimentell bestimmten thermodynamischen Eigenschaften bei flüssig/gasförmig-Koexistenz, wobei besonders die Steigung der Dampfdruckkurve und die niedrige Oberflächenspannung hervorzuheben sind. Die niedrige Oberflächenspannung von Fluorwasserstoff führt zu einer stark zerfurchten Grenzfläche und der Entstehung von Hohlräumen in der flüssigen Phase. Trotz komplexer Morphologie und langwelliger Fluktuationen der Grenzfläche kann mit Hilfe von Intrinsischer Analyse die Ausprägung stark strukturierter, aufeinanderfolgender Schichten gezeigt werden. Untersuchung der Netzwerkstruktur des simulierten Systems offenbart die Existenz langer, linearer Ketten und stark verzweigter Cluster, die aufgrund der starken Polarität desModells entstehen. Diese Strukturen können auch aus der Grenzregion herausragen und sich deutlich in die gasförmige Region erstrecken, wodurch eine einzigartige flüssig/gasförmig-Morphologie entsteht, die mit keiner anderen molekularen Flüssigkeit vergleichbar ist.Hydrogen fluoride is one of the simplest molecular liquids, however, it is characterised by a linear geometry and a pronounced dipolar nature. Despite the simplicity of its molecular structure, its properties in the liquid phase are different from those of other molecular liquids. These peculiarities are not yet fully understood, also due to technical limitations in its experimental investigation. In this thesis, the liquid/vapour interface of hydrogen fluoride is investigated by means of Molecular Dynamic simulations. To facilitate this, an existing polarizable model with point dipoles is reimplemented using a classical Drude oscillator. The reported simulation data represent the first microscopic investigation of the liquid/vapour interface of hydrogen fluoride. The model reproduces qualitatively the experimentally known thermodynamic properties of hydrogen fluoride at liquid/vapour coexistence, most notably the slope of the vapour pressure and the surface tension. The extremely low surface tension of hydrogen fluoride results in a highly corrugated interface and in the occurrence of large spontaneously formed void structures in the liquid phase. Intrinsic analysis of the interface shows the presence of well structured successive layers despite a complex morphology and long-wavelength surface fluctuations. A network analysis reveals the presence of long linear chains, as well as heavily branched clusters in the liquid phase, caused by the strong polarity of the model. These structures can protrude from the interface and extend noticeably in the vapour region, generating a unique liquid/vapour morphology, that is not seen in any other molecular liquid