Ατομιστικές προσομοιώσεις της ροής αλυσίδων πολυαιθυλενίου περιορισμένων από τραχιές επιφάνειες

Τσαγκαλάκης, Δημήτριος; Tsagkalakis, Dimitrios

dc.contributor.author	Τσαγκαλάκης, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Tsagkalakis, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2022-07-29T11:27:48Z
dc.date.available	2022-07-29T11:27:48Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55547
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23245
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πολυαιθυλένιο	el
dc.subject	Επιφάνεια χρυσού	el
dc.subject	Μοριακή δυναμική	el
dc.subject	Διατμητική ροή	el
dc.subject	Ολίσθηση	el
dc.subject	Νανοδομημένη επιφάνεια	el
dc.subject	Polyethylene	en
dc.subject	Gold surface	en
dc.subject	Molecular dynamics	en
dc.subject	Shear flow	en
dc.subject	Wall slip	en
dc.subject	Nanopatterned surface	en
dc.title	Ατομιστικές προσομοιώσεις της ροής αλυσίδων πολυαιθυλενίου περιορισμένων από τραχιές επιφάνειες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη υλικών	el
heal.classification	Μοριακή δυναμική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-18
heal.abstract	Η συμπεριφορά των πολυμερικών αλυσίδων των τηγμάτων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από μηχανισμούς που σχετίζονται με τις στερεές επιφάνειες πάνω στις οποίες ρέουν, σε επίπεδο νανοκλίμακας. Συνεπώς, και οι μακροσκοπικές ιδιότητες των πολυμερικών τηγμάτων δύνανται να καθοριστούν σε έναν βαθμό από τα χαρακτηριστικά και την γεωμετρία των επιφανειών ροής. Ο έλεγχος των ιδιοτήτων αυτών είναι ζητούμενο μιας πληθώρας βιομηχανικών εφαρμογών οπότε άμεσα αναδεικνύεται και η σημασία κατανόησης και ελέγχου των μικροσκοπικών αυτών μηχανισμών. Ιδιαίτερα για τα διεπιφανειακά φαινόμενα, όπως αυτό της ολίσθησης, η ορθή επιβολή των συνοριακών συνθηκών είναι πρακτικά αδύνατη με τις συμβατικές μεθόδους μοντελοποίησης της ροής. Συνεπώς, για την πρόβλεψη και την κατανόηση των φαινομένων αυτών οδηγούμαστε στη χρήση ατομιστικών προσομοιώσεων όπως οι μέθοδοι Monte Carlo και Μοριακής Δυναμικής. Αυτοί οι αλγόριθμοι παρότι παρουσιάζουν ιδιαίτερα υψηλό υπολογιστικό κόστος, δεν επικαλούνται κάποια υπόθεση για τις συνοριακές συνθήκες στη στερεή επιφάνεια όπως οι μακροσκοπικές προσομοιώσεις συνεχούς μέσου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται μελέτη της ροής Couette τηγμάτων πολυαιθυλενίου υψηλού μοριακού βάρους πάνω σε τραχιές επιφάνειες χρυσού, και των φαινομένων ολίσθησης που εμφανίζονται. Τα φαινόμενα αυτά εξαρτώνται ισχυρά μεταξύ άλλων και από τη γεωμετρία των νανοδομημένων επιφανειών. Ειδικότερα, εξετάζονται επιφάνειες χρυσού με λωρίδες ατελειών για ένα πλήθος παραμέτρων όπως το πλάτος, το βάθος, η χωρική συχνότητα αλλά και η γωνία προσανατολισμού των ατελειών. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων εξάγονται διάφορα συμπεράσματα για την επίδραση των φαινομένων ολίσθησης στο πολυμερικό τήγμα, όσο και για την εξάρτηση των φαινομένων αυτών από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των επιφανειών χρυσού. Συγκεκριμένα, παρατηρείται μια τάση αναδιοργάνωσης των κρυσταλλικών περιοχών των αλυσίδων κοντά στην επιφάνεια των πλακών προς διευθύνσεις που επιβάλλονται από τις λωρίδες ατελειών. Επιπλέον, επιλέγοντας λωρίδες ατελειών κατά διευθύνσεις χαμηλής συμμετρίας του κρυσταλλικού πλέγματος του χρυσού, οι ατέλειες εμφανίζουν αυξημένη τραχύτητα στα σύνορά τους, με άμεσο αντίκτυπο στο είδος και την ένταση της ολίσθησης των αλυσίδων. Για τον χαρακτηρισμό της συνοριακής αυτής τραχύτητας αναπτύχθηκε ευέλικτος αλγόριθμος ποσοτικοποίησης της μέσης τετραγωνικής τραχύτητας και της θέσης της επιφάνειας, που δύναται να εφαρμοστεί σε κρυσταλλικά και άμορφα υλικά, και σε 2 ή 3 διαστάσεις. Η συμμετρία των επιφανειών χρυσού παίζει, επίσης, σημαντικό ρόλο στη ροή του συστήματος. Στις περιπτώσεις όπου οι αντιπαράλληλες πλάκες χρυσού εμφανίζουν συμμετρία ως προς τις νανοδομημένες τους επιφάνειες, τότε το τήγμα δέχεται επιπρόσθετη διατμητική τάση κάθετα στη ροή, η οποία δεν αυξάνεται λόγω των διαμορφώσεων. Αντίθετα, η εφαρμογή αντισυμμετρικών επιφανειών στις δυο πλάκες στρέφει μερικώς την ροή του πολυμερούς προς τις προτιμώμενες διευθύνσεις των λωρίδων ατελειών. Οι συμπεριφορές αυτές παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον τομέα τις μικρορευστονικής.	el
heal.abstract	The behavior of polymer chains in melts is largely determined by the nanoscale mechanisms related to the solid surfaces on which they flow. Consequently, the macroscopic properties of polymeric melts can also be determined to some extent by the characteristics and the geometry of the surfaces. Being able to adjust and predict these properties is an important aspect of a multitude of industrial applications, so the importance of understanding and controlling these microscopic mechanisms should not be understated. Particularly for interfacial phenomena such as that of slip, correctly imposing the boundary conditions is practically impossible with the conventional flow modelling methods. Therefore, for the prediction and understanding of these phenomena we are guided towards particle simulation methods, such as Monte Carlo and Molecular Dynamics. Comparatively, these algorithms have a really high computational cost, but they do not rely on any assumption about the boundary conditions at the solid surface, unlike continuous medium simulations. In this thesis, a study of the Couette flow of high molecular weight polyethylene melts on rough gold surfaces was carried out, while also examining the slip phenomena that occur. These phenomena are strongly dependent, among others, on the geometry of the nanostructured surfaces. In particular, gold surfaces with defect stripes are investigated for a number of parameters such as width, depth, spatial frequency and the orientation of the defect angles. After processing the simulation results, several conclusions are drawn about the influence of slip in the polymer melt, as well as about the dependence of these phenomena on the geometric characteristics of the gold surfaces. In particular, the defect stripes impose a reorganization tendency on the ordered regions formed by chains near the plate surfaces, in directions favorable to them. Moreover, by choosing defect angles in directions of low symmetry for the Au crystal lattice, the edge roughness of the defects is significantly increased. This also has a direct impact on the type and intensity of the polymer slippage. To study the edge roughness, a flexible algorithm was developed that is able to quantify the mean square roughness and the position of the surface. The methodology on which it is based is quite versatile, so it can be applied to both crystalline and amorphous materials, for manifolds in either 2 or 3 dimensions. The symmetry between the gold surfaces also plays an important role in the polymer flow. In cases where the two gold plates exhibit mirror symmetry with respect to their nanostructured surfaces, the melt is subjected to additional shear, in directions normal to the flow. Meanwhile, the net flow that is generated in the normal direction is zero, due to symmetry. In contrast to that, in symmetry-breaking cases for the surfaces of the two plates, the polymer flow is guided towards the preferred directions of the defect stripes. These behaviors can potentially find various applications in the field of microfluidics.	en
heal.sponsor	Ευχαριστώ το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας & Καινοτομίας (ΕΛ.Ι.Δ.ΕΚ.) για την οικονομική υποστήριξη του όλου εγχειρήματος μέσω του προγράμματος “First Call for H.F.R.I. Research Projects to support Faculty members and Researchers and the procurement of high-cost research equipment grant”.	el
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	60 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false