Janus fluid with fixed patch orientations: theory and simulations

Abstract

Estudiamos las propiedades termofísicas de un fluido Janus con orientaciones restringidas, utilizando técnicas de análisis y simulaciones numéricas. La característica de Janus se modela por medio de un potencial Kern-Frenkel dónde cada esfera tiene un hemisferio de pozo cuadrado y el otro de esfera dura. La restricción de la orientación se hace cumplir por el supuesto de que cada hemisferio sólo puede apuntar ya sea del Norte o del Sur con la misma probabilidad. El enfoque analítico depende de un mapeo de los anteriores fluidos Janus sobre una mezcla binaria interactuando a través de un "cuasi" potencial isotrópico. La naturaleza anisotrópica de la potencial original de Kern-Frenkel se refleja por la asimetría en las interacciones que se producen entre los componentes a diferencia de la mezcla. Una aproximación racional-función de la extensión del caso simétrico correspondiente se obtiene en el límite pegajoso, dónde el pozo cuadrado se hace infinitamente estrecho y profundo, y permite un enfoque completamente analítico. A pesar de las aproximaciones más drásticas en la teoría analítica, esto se muestra para proporcionar una estimación más precisa de las propiedades estructurales y termodinámicas del fluido original de Janus.

We study thermophysical properties of a Janus fluid with constrained orientations, using analytical techniques and numerical simulations. The Janus character is modeled by means of a Kern–Frenkel potential where each sphere has one hemisphere of square-well and the other of hard-sphere character. The orientational constraint is enforced by assuming that each hemisphere can only point either North or South with equal probability. The analytical approach hinges on a mapping of the above Janus fluid onto a binary mixture interacting via a “quasi” isotropic potential. The anisotropic nature of the original Kern–Frenkel potential is reflected by the asymmetry in the interactions occurring between the unlike components of the mixture. A rational-function approximation extending the corresponding symmetric case is obtained in the sticky limit, where the square-well becomes infinitely narrow and deep, and allows a fully analytical approach. Notwithstanding the rather drastic approximations in the analytical theory, this is shown to provide a rather precise estimate of the structural and thermodynamical properties of the original Janus fluid.