Atomistic and mesoscopic simulations of the interfacial dynamics of polymer melts

Abstract

Η ανάπτυξη αναλυτικών μοντέλων και εξειδικευμένων υπολογιστικών μεθόδων σε συνδυασμό με τη ραγδαία άνοδο της υπολογιστικής ισχύoς κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αποβεί πολύ χρήσιμες στον σχεδιασμό πολυμερικών υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες, τα οποία παρουσιάζουν μια πληθώρα εφαρμογών ελκυστικών στην βιομηχανία. Συγκεκριμένα, οι ατομιστικές προσομοιώσεις έχουν βοηθήσει πολύ στην κατανόηση ποικίλων μικροσκοπικών φαινομένων και μηχανισμών που απαντώνται στις διεπιφάνειες καθώς και στην εδραίωση σχέσεων μεταξύ μικροσκοπικής δομής και ιδιοτήτων. Παρόλα αυτά, ένα σημαντικό μειονέκτημα των μεθόδων αυτών είναι το ότι η προσομοίωση πολυμερικών αλυσίδων μεγάλου μοριακού βάρους--τα οποία απαντώνται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές — απαιτεί απαγορευτικά μεγάλους υπολογιστικούς χρόνους. Σε αντιδιαστολή, μέθοδοι του συνεχούς επιτρέπουν την προσομοίωση φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε μακροσκοπικούς χρόνους με λογικό υπολογιστικό κόστος. Ωστόσο, λόγω του ότι η μικροσκοπική λεπτομέρεια εξαλείφεται στις μεθόδoυς αυτές, θα πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη έμφαση κατά την παραμετροποίηση των μακροσκοπικών μοντέλων καθώς και στις υποθέσεις που αφορούν τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς. Τα παραπάνω έχουν αποτελέσει ισχυρό κίνητρο για την ανάπτυξη στρατηγικών προσομοίωσης σε πολλαπλές κλίμακες, κατά τις οποίες η κάθε κλίμακα, λαμβάνει πληροφορίες από λεπτομερέστερες κλίμακες, παρέχει πληροφορίες για ένα συγκεκριμένο εύρος μηκών και χρόνων, και οι πληροφορίες που συλλέγονται αποτελούν στοιχείο εισόδου στις αδρομερέστερες κλίμακες.Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας στρατηγικής προσομοιώσεων πολλαπλών κλιμάκων για ομοιογενή και ανομοιογενή πολυμερικά τήγματα καθώς και για διεπιφάνειες πολυμερών/στερεών σε ένα μεγάλο εύρος μοριακών μαζών στην ισορροπία και υπό συνθήκες ροής. Τα βήματα που περιλαμβάνονται στις προσομοιώσεις πολλαπλών κλιμάκων είναι τα εξής:α)Η λεπτομερέστερη κλίμακα αφορά προσομοιώσεις διαπλεγμένων και μη πολυμερικών τηγμάτων και αποσκοπεί στον υπολογισμό διαφόρων θερμοδυναμικών, δυναμικών και δομικών ιδιοτήτων στο επίπεδου των ατόμων και στο επίπεδο των αλυσίδων.β)Στη συνέχεια, οι ατομιστικές απεικονίσεις που δειγματοληπτούνται κατά τις λεπτομερείς προσομοιώσεις αδροποιούνται μέσω μιας στρατηγικής αντιστοίχισης. Από την επεξεργασία των αδροποιημένων τροχιών προκύπτουν χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή και τη δυναμική των υπό μελέτη συστημάτων σε μεγάλα χαρακτηριατικά μήκη και χρόνους, οι οποίες αποτελούν στοιχείο εισόδου για την αδρομερέστερη κλίμακα προσομοίωσης.γ)Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη ενός μεσοσκοπικού μοντέλου, η παραμετροποίηση του οποίου βασίζεται στις πληροφορίες που εξάγονται από τις λεπτομερέστερες, ατομιστικές προσομοιώσεις. Το μεσοσκοπικό μοντέλο είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με το ατομιστικό μοντέλο, καθώς επιδιώκονται διαρκείς συγκρίσεις με το ατομιστικό μοντέλο πάνω σε συστήματα που βρίσκονται στο ίδιο εύρος μοριακών μαζών.Η στρατηγική προσομοιώσεων πολλαπλών κλιμάκων εφαρμόστηκε σε τήγματα μονοδιάσπαρτου γραμμικού πολυαιθυλενίου και έχει εξεταστεί σε ομοιογενή συστήματα, καθώς και σε ανομοιογενή συστήματα που απαρτίζονται από ελεύθερα υμένια είτε υμένια πλαισιωμένα από γραφίτη και χρυσό. Μέσω των προσομοιώσεων αυτών είναι δυνατός ο χαρακτηρισμός μιας πλειάδας θερμοδυναμικών (διαπιφανειακές ελεύθερες ενέργειες, προφίλ τάσεων), δυναμικών (συντελεστές διάχυσης, ιξώδες, χρόνοι χαλάρωσης) και δομικών (σχήμα, μέγεθος και κατευθυντικότητα τμημάτων στο επίπεδο των ατόμων και ολόκληρων αλυσίδων) ιδιοτήτων για διάφορες γεωμετρίες ανομοιογενών συστημάτων σε ένα πολύ μεγάλο εύρος μοριακών μαζών.