Modeling polystyrene with and without confinement: Exploring the limits of iterative Boltzmann inversion
Polistirenin sıkıştırma varlığı ve yokluğunda modellenmesi: Yinelemeli Boltzmann çevrimi yönteminin sınırlarının araştırılması
- Tez No: 735921
- Danışmanlar: PROF. DR. ROLAND FALLER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of California DAVIS
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Plastikler, kauçuk, yapışkanlar ve jeller gibi çok yönlü uygulamaları nedeniyle polimerler hayatımızın tüm yönlerinde yer almaktadır. Bu tür moleküllerde yapı-işlev ilişkisini anlamak, bu malzemelerin moleküler düzeyde mühendisliğini yapma kabiliyetimizi belirlemesi ve böylece farklı özelliklerde yeni malzemelerin ortaya çıkarılması bakımından oldukça önemlidir. Moleküler dinamik simülasyonlar, deneysel yöntemlere tamamlayıcı olarak, polimerlerin yapısal ve dinamik özelliklerini incelemek için iyi bir araç olarak karşımıza çıkar. Ancak, yapısal ve dinamik özelliklerinin tanımlanmasında çok çeşitli uzunluk ve zaman ölçeklerinin yer alması nedeniyle polimerlerin modellenmesi zorlu bir iştir. Atomistik simülasyonlar polimer sistemlerin yerel ölçekte tanımlanması için gerekli olmakla birlikte, sadece birkaç yüz nanosaniyeye kadarlık bir zaman ölçeğini ele alabilirler. Bu bağlamda, yüksek çözünürlükteki sistemleri kaba ölçektekilerle ilişkilendiren orta-ölçekli modellerin kullanımının gereği ortaya çıkar, çünkü tek bir modelleme yaklaşımı ile polimer sistemlerin tüm özelliklerini yakalamak mümkün görünmemektedir. Bu tezin amacı iki kısımdan oluşmaktadır: Çözünme, polimer konsantrasyonu ve sıkıştırma derecesinin polistirenin (PS) yapısal ve dinamik özellikleri üzerine olan etkilerinin detaylı atomistik simülasyonlarla incelenmesi ve bir yapı tabanlı kaba-ölçekleme tekniği olan Yinelemeli Boltzmann Çevrimi'nin (YBÇ) PS'in farklı ortamlarda orta ölçekli modellenmesindeki sınırlarının araştırılması. Çalışmada dört çeşit sistem ele alınmıştır: eriyik, seyreltik çözelti, derişik çözelti ve farklı sıkıştırma derecelerine maruz bırakılan derişik çözelti. YBÇ polimer eriyik ve çözeltiler için geliştirilen bir yöntemdir. Ancak, polimerlerin koruyucu kaplamalar, yapışkanlar, kayganlaştırıcılar, vb. pek çok uygulamaları bu malzemelerin katı yüzeylerle yakın temasını içermektedir. YBÇ ile katı yüzeyler arasında sıkıştırılmış polimer sistemlerin modellenmesi yığın sistemlerin modellenmesine göre daha zorlu bir işlemdir, çünkü sıkıştırılmış durumda yüzey etrafındaki yoğunluk dalgalanmaları nedeniyle sistem yerel olarak farklı hal durumlarındadır. Bu çalışmada, YBÇ ile PS için farklı ortamlarda kaba-ölçekli kuvvet alanı geliştirme işlemi sırasında karşılaşılan zorluklar ve işleme ait teknik detaylar irdelenmiştir. Elde edilen tüm modellerde PS'nin yerel yapısal özellikleri oldukça iyi derecede türetilirken, geniş çaplı yapısal özelliklerinin ise bir miktar fazla tahmin edildiği görülmüştür. Kaba-ölçekli modellerin verimliliği uçtan-uca vektör otokorrelasyon fonksiyonları, ortalama karekök yer değiştirme ve hızlandırma faktörlerinin hesaplanması ile her sistem için polimer zincir difüzyon katsayıları ve uç monomerlerin karakteristik relaksasyon sürelerinin karşılaştırılması ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar, PS konsantrasyonu ve sıkıştırma derecesi arttıkça sistem dinamiğindeki hızlanmanın arttığını göstermiştir. PS'nin farlı ortamlardaki yerel ve geniş çaplı yapısal özellikleri arasındaki farklılıklar bağlı/bağlı olmayan konformasyonel dağılımlar, uçtan-uca uzaklıklar, eylemsizlik yarıçapları ve kalıcılık uzunlukları aracılığıyla irdelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Polymers are present in every aspect of our lives due to their versatile applications as plastics, rubber, adhesives and gels. Understanding the structure-property relationship of these kind of molecules is crucial because of the fact that it determines the extent of our ability to engineer materials on molecular level and thus create new materials possessing different properties. Molecular dynamics simulations, being complementary to experiments, serve as a great tool to study structural and dynamic properties of polymers. Modeling polymers, however, is a challenging task due to the enormous variety of length and time scales involved in the description of their structural and dynamic properties. Atomistic simulations are needed to describe the polymer systems on a local scale, but can only handle time scales of up to a few hundred nanoseconds. The use of mesoscale models, which link the length and time scales in higher resolution to those in coarser-level representations, is essential, as a single modeling approach cannot capture all relevant properties. The objective of this dissertation is twofold: we have investigated the effect of solvation, concentration and confinement level on the structure and dynamics of polystyrene (PS) through detailed atomistic molecular dynamics simulations and explored the limits of a structure based coarse-graining technique, Iterative Boltzmann Inversion (IBI), on mesoscale modeling of PS in different environments. Four types of systems are studied: melt, dilute solution, concentrated solution, and confined concentrated solution at different confinement levels. IBI has been developed for polymer melts and solutions, but many important applications of polymers such as protective coatings, adhesives, lubricants, etc., involve close contact with solid surfaces. Modeling polymer systems confined between surfaces by IBI is more challenging compared to modeling bulk systems, as the system is locally in different state points due to the density fluctuations near the surfaces in the former case. We address these challenges and technical details of the coarse-grained (CG) force field development process for PS in different environments. We show that all models reproduce the local structure of PS in their corresponding environments very well, while the global structure is slightly overestimated. The efficiencies of the CG models are captured by end-to-end vector autocorrelation functions, mean square displacements and speed-up factors for each system through the comparison of their corresponding chain diffusion coefficients and characteristic relaxation times of the end monomers. Results show that speed-up increases as the concentration of PS and confinement level increases. Differences in the local and global structure of PS in different environments are addressed by means of bonded/non-bonded conformational distributions, end-to-end distances, radii of gyration, and persistence lengths.
Benzer Tezler
- A design tool for inertial microfluidics-based microchips
Ataletsel mikroakışkan çipler için bir tasarım aracı
EGE MUTLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÇankaya ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZİYA ESEN
DOÇ. DR. ENDER YILDIRIM
- Ev tipi bir fırının düşme testinin sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
Modeling the drop test of household oven with finite element method
TOLGA ASA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. ZEYNEP PARLAR
- Modeling of nanoparticle - membrane interactions
Nanopartikül – membran etkileşimlerinin modellenmesi̇
GÜLŞAH GÜL
Doktora
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAZAR İLERİ ERCAN
- Mems based resonant mass sensors with feedthrough current elimination for in-liquid cell detection applications
Sıvı ortamda hücre tespiti uygulamaları için kaçak akımı eleyen mems tabanlı resonant kütle sensörleri
MUSTAFA KANGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Designed-in molecular interactions and cross-linking interface for superior nanocomposites: A multi-scale insight
Moleküler etkileşimlerin ve çapraz bağlanmış arayüzün üstün nanokompozit malzemeler için tasarımı:Bir çok-boyutlu anlayış
ELİF ÖZDEN YENİGÜN
Doktora
İngilizce
2013
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİH PAPİLA