Multiscale simulations of polymer-matrix nanocomposites

Abstract

A multiscale simulation strategy has been designed and developed for polymer-matrix nanocomposites. The first and most detailed level is the atomistic one, where both nanoparticles and polymer chains are represented in terms of detailed atomistic force fields. Molecular Dynamics simulations are undertaken in order to study local structure and dynamics of the polymer matrix close to the nanoparticles. At the second level, each repeat unit of the polymer is mapped onto a single superatom and powerful connectivity-altering Monte Carlo moves are used in order to fully equilibrate the systems. Well-equilibrated starting configurations for atomistic Molecular Dynamics are obtained through reverse mapping. At the third level, polymer chains are represented as freely jointed sequences of Kuhn segments and equilibrated via Monte Carlo with polymer-polymer interactions obtained from a functional of local density inspired by polymer mean field theory. Finally, at the last level of modeling, a thermodynamically consistent slip-spring model for entangled melt and rubber simulations has been formulated and developed. Simulations have been conducted in order to quantify the effects of incorporating fullerenes on the segmental motion of long-chain atactic polystyrene, to predict the scattering curves from the grafted polystyrene corona of silica particles dispersed in polystyrene, and to estimate the storage and loss moduli of polyisoprene.

Μία υπολογιστική μεθοδολογία προτυποποίησης και προσομοίωσης σε πολλές κλίμακες μήκους και χρόνου σχεδιάσθηκε και υλοποιήθηκε για τη μελέτη νανοσύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας. Στο πρώτο και λεπτομερέστερο επίπεδο προσομοίωσης, τόσο η πολυμερική μήτρα, όσο και τα νανοσωματίδια περιγράφονται σε πλήρη ατομιστική λεπτομέρεια. Πραγματοποιώντας προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής μελετάται η δομή και η δυναμική των νανοσυνθέτων κοντά στα νανοσωματίδια. Στο επόμενο επίπεδο, όπου η περιγραφή της πολυμερικής μήτρας πραγματοποιείται σε επίπεδο μονομερούς, χρησιμοποιούνται πανίσχυρες μεθοδολογίες Monte Carlo μεταβολής της συνδετικότητας οι οποίες επιτυγχάνουν πλήρη εξισορρόπηση τηγμάτων πολυμερούς μεγάλου μοριακού βάρους. Καλά εξισορροπημένες απεικονίσεις χρησιμοποιούνται τόσο για τη μελέτη των ιδιοτήτων διαμόρφωσης των αλυσίδων, όσο και ως αρχικές απεικονίσεις για ατομιστικές προσομοιώσεις. Στο τρίτο επίπεδο οι διαμορφώσεις των πολυμερικών αλυσίδων εξελίσσονται μέσω προσομοίωσης Monte Carlo με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους να προκύπτουν από ένα συναρτησιακό της κατανομής πυκνότητας εμπνευσμένο από τη θεωρία μέσου πεδίου των πολυμερών. Τέλος, στο τέταρτο επίπεδο, αναπτύσσεται ένα θερμοδυναμικά συνεπές αδροποιημένο μοντέλο για τη δυναμική διαπλεγμένων τηγμάτων και ελαστομερών. Οι προσομοιώσεις εστιάζονται στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης της διασποράς φουλερενίων στην τμηματική δυναμική ατακτικού πολυστυρενίου υψηλού μοριακού βάρους, στην πρόβλεψη των χαρακτηριστικών κλιμάκωσης του μεγέθους εμφυτευμένων αλυσίδων πολυστυρενίου σε νανοσωματίδια πυριτίας τα οποία έχουν διασπαρεί σε μήτρα πολυστυρενίου, και στην εκτίμηση των μέτρων αποθήκευσης και απωλειών ενέργειας τήγματος πολυϊσοπρενίου.