Μοριακές προσομοιώσεις πολυμερικών τηγμάτων υπό περιορισμό από στερεές επιφάνειες

Abstract

Η ανάγκη για τη δημιουργία υλικών με βελτιωμένες και νέες ιδιότητες οδήγησαν τους ερευνητές στη δημιουργία σύνθετων και νανοσύνθετων υλικών. Ο έλεγχος, όμως, των ιδιοτήτων αυτών των υλικών καθιστά επιτακτική την ανάγκη της μελέτης των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στη διεπιφάνεια μήτρας - προσθέτου του σύνθετου ή νανοσύνθετου υλικού. Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία μελετάται τήγμα πολυαιθυλενίου το οποίο βρίσκεται υπό περιορισμό από τοιχώματα γραφίτη, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Monte Carlo (MC). Σκοπός της εργασίας είναι η πρόβλεψη των δομικών χαρακτηριστικών και των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του εν λόγω συστήματος. Σε υπάρχοντα κώδικα MC μεταβολής της συνδετικότητας τροποποιείται η γεωμετρία του πρωτεύοντος κουτιού της προσομοίωσης από κυβικό σε μη κυβικό, ώστε να μελετηθούν συστήματα τα οποία είναι πολύ λεπτά κατά μία διεύθυνση αλλά εκτείνονται αρκετά στις άλλες διευθύνσεις, ενώ παράλληλα στον κώδικα MC εισάγεται ο υπολογισμός των αλληλεπιδράσεων μακράς εμβέλειας με τα αθροίσματα κατά Ewald, ώστε να υπολογίζεται με πιστό τρόπο η συνεκτική ενέργεια του συστήματος. Αφού επαληθεύεται η ορθότητα της εφαρμογής των αθροισμάτων κατά Ewald σε πρότυπο κρυσταλλικό σύστημα, χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της δομής του συστήματος πολυαιθυλενίου - γραφίτη. Η προσομοίωση των συστημάτων προβλέπει ότι η προσθήκη των αλληλεπιδράσεων μακράς εμβέλειας αυξάνει τη συνεκτική ενέργεια του πολυμερούς. Επίσης, το σχετικό σχήμα και το μέγεθος των πολυμερικών αλυσίδων παραμένουν σταθερά και ίδια με αυτά ττου τήγματος, όμως ο προσανατολισμός των αλυσίδων στην περιοχή κοντά στις πλάκες του γραφίτη επηρεάζεται ισχυρά από την παρουσία τους και εμφανίζεται προτίμηση για την παράλληλη προς τις επιφάνειες τοποθέτηση των πολυμερικών αλυσίδων. Καταλήγοντας, προβλέπονται οι τάσεις αλλά και τάση συνάφειας των συστημάτων, οι οποίες βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα.

Polymer-based nanocomposites are considered an important branch of the emerging field of nanotechnology, offering huge potential for future applications. The key issue in nanocomposite materials science, which has so far remained unresolved, is the exact molecular mechanisms whereby the interfacial effects between the polymer and the filler affect the macroscopic properties of the material. In this Thesis, a Monte Carlo (MC) code has been developed for simulating a polyethylene melt confined between graphite surfaces. We study the structural characteristics and the thermodynamic properties of this system. The boundary conditions of the source code are modified in order to allow for non-cubic rectangular primary simulation boxes, allowing the study of systems which are very thin in one direction but extend sufficiently in the other directions. In addition to this, Ewald summations are implemented in the MC code in order to account for the polymer long range interactions. After validating the correctness of implemented Ewald summations, the structural characteristics of the system are estimated. The incorporation of long-range interactions increases the cohesive energy of the polymer. Furthermore, the relative shape and size of the polymeric chains remain unaffected by the presence of the interfaces and similar to those of the bulk polymer melt, but the orientation of the chains in the region close to the solid surfaces is strongly affected. Polymeric chains tend to orient parallel to the surfaces. Finally, the stress profile and the adhesion tension are predicted, and found in very good agreement with available experimental data.