Geri Dön

Molecular investigation of polyelectrolyte hydrogel under mechanical deformation

Polielektrolit hidrojelin mekanik deformasyon altında moleküler incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 830306
  2. Yazar: MUZAFFAR RAFIQUE
  3. Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. AYKUT ERBAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Science and Technology, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 90

Özet

Polielektrolit hidrojeller, mekanik deforme olduklarında elektrik potansiyeli üretebilen etkileyici malzemelerdir. Genellikle karşı iyon seviyelerinin yoğunlaşmasındaki değişime veya hidrojelin nüfuz eden hacmindeki iyonik koşulların değişimine atfedilse de, bu fenomenin kesin moleküler kökenleri hala bilinmemektedir. Model sistemimiz, all-atom moleküler dinamik simülasyonlarını kullanarak bu olağanüstü davranışı araştırmak için belirgin bir polar çözücüye daldırılmış bir poliakrilik asit (PAA) hidrojel kullanilmaktadir. Hesaplamalı çalışmamızda, PAA polielektrolit hidrojelinin tek eksenli mekanik sıkıştırma ve uzamaya maruz kaldığında zayıftan çok şişmişe (yani, \%60 ila \%90 solvent içeriği) tepkisi incelenmektedir. Birincil amacımız, mikroskobik düzeyde farklı deformasyonlardaki yoğunlaşmış karşıt iyonları hesaplamaktır. PAA hidrojeli tek eksenli olarak sıkıştırıldığında veya gerildiğinde, karşı iyon yoğunlaşmasının, mekanik olarak deforme edildiğinde toplam karşı iyon yoğunlaşmasında genel bir artışla oldukça monoton olmayan bir davranış sergilediği görülmektedir. Ancak, bu etki, karşı iyonların önemli bir kısmının polielektrolit polimer üzerinde zaten yoğunlaşmış olması gerçeğinden dolayı, zayıf şekilde şişmiş jel için azalır. Daha yakından incelendiğinde, hidrojeldeki gerilmiş zincirler boyunca karşı iyon yoğunlaşmasının arttığını bulunmaktadir. Bu artış, belirli deformasyon orantılar için maksimum değere ulaşır, bundan sonra hidrojel zincirleri daha fazla gerildiğinde karşı iyon yoğunlaşmasında bir azalma gözlemlenmektedir. Öte yandan, hidrojel sıkıştırıldığında ve zincirler çökmüş durumdayken, karşı iyon yoğunlaşmada çok az bir artış görülmektedir. Tekli polielektrolit zincirlerini analiz edildiğinde, niteliksel olarak benzer tepki sergilediğini gözlenmektedir. Bu gözlem, polimer zincir yapılarının jeldeki karşı iyonların dağılımını etkilediğine dair bir fikir verilmektedir. Kritik konsantrasyon seviyelerinde polielektrolit çözeltileri için karşı iyon yoğuşma davranışı daha fazla araştırıldı ve deformasyona bağlı karşı iyon yoğuşması gözlemlenmemektedir. Bu, polielektrolit zincir uçlarını sınırlayan ve gözlemlenen davranışa yol açan hidrojel topolojisinin önemini ortaya koymaktadır. Bu kapsamlı moleküler dinamik simülasyonları, hidrojel deforme olduğunda zengin bir elektrostatik tepki davranışı göstererek, karşı iyon yoğunlaşmasının ilginç ve heterojen davranışına ışık tutmaktadır. Bu bulgular, mekanik olarak deforme olmuş polielektrolit hidrojellerin temel davranışının anlaşılmasına önemli ölçüde katkıda bulunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Polyelectrolyte hydrogels are fascinating materials that can produce electromechanical responses when they are electrically or mechanically deformed. How- ever, the accurate molecular origins of such phenomenon are still unknown, even though it is often ascribed to the change in condensation of counterion levels or alteration of ionic conditions in the pervaded volume of the hydrogel. We used all-atom molecular dynamics (MD) simulations to investigate this behavior by utilizing a polyacrylic acid (PAA) hydrogel immersed in an explicit polar solvent as our model system. In the atomistic MD simulation, we investigated the swelling behavior of polyelectrolyte hydrogels, traditionally computed through the equilibrium of chemical potential and pressure between the system and reservoir. However, we discovered that achieving the equilibrium swelling state was non-trivial, as faster relaxation of the simulation box resulted in lower swelling ratios, while slower relaxation led to larger swelling ratios. To address this challenge, we employed theoretical calculations with a Gaussian state as the reference to estimate the hydrogel's swelling ratio effectively. In our computational study, we investigated the response of PAA polyelectrolyte hydrogel from weak to highly swollen (i.e., between 60 to 90% solvent content) when subjected to uniaxial mechanical compression and extension. Our primary aim is to compute the condensed counterions at different deformations at the microscopic level. We found out that condensation of counterion shows highly non-monotonic behavior when they are mechanically deformed, with an overall increase in total counterion condensation when the PAA hydrogel is uniaxially compressed or stretched. However, this effect diminishes for weakly swollen gel because a large fraction of counterions are already condensed on the polyelectrolyte polymer. Upon closer examination, we found that counterion condensation increases along the stretched chains in the hydrogel. On the one hand, this increase reaches to maximum value for certain deformation ratios; after that, we see a decline in the condensation of counterions when the hydrogel chains are stretched further. On the other hand, we see a very minimal increase in condensation when the hydrogel is compressed and chains are collapsed state. We also analyzed the single polyelectrolyte chains, which also displayed a qualitatively similar response. This observation gives us insight that polymer chain conformations affect the distribution of counterions in the gel. We further investigated the counterion condensation behavior for polyelectrolyte solutions at their critical concentration level. However, we don't see any deformation-dependent counterion condensation. This suggests the importance of hydrogel topology, which constrains the polyelectrolyte chain ends and leads to the observed behavior. These extensive molecular dynamics simulations shed light on the interesting and heterogeneous behavior of counterion condensation when the hydrogel is deformed, showing a rich electrostatic response behavior. These findings contribute significantly to the understanding of the underlying behavior of mechanically deformed polyelectrolyte hydrogels.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    112221

    Investigation of the general properties of some polyelectrolyte complexes

    Bazı polielektrolit komplekslerin genel özelliklerinin incelenmesi

    NERMİN ACAR VURAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2001

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. TÜLAY TULUN

  2. Tez No

    142762

    Hidrofilik vehidrofobik etkileşimlerin polimer metal komleks yapıları üzerindeki etkilerin döngülü voltametri ile incelenmesi

    Investigation of the effects of hydrophobic and hydrophilic interactions on the structures of polymer- metal complexes by cyclic voltammetry

    ARGUN TALAT GÖKÇEÖREN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimyagerlik Bilim Dalı

    PROF. DR. CANDAN ERBİL

  3. Tez No

    467158

    Swelling and elasticity of smart ionic gels based on N,N-dimethylacrylamide with acidic comonomers

    N,N-dimetilakrilamit ile asidik komonomer esaslı akıllı iyonik jellerin şişme ve elastisitesi

    TALİN BOYACI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN

  4. Tez No

    574780

    Experimental and mathematical investigation of mass transfer in food and hydrogel systems using magnetic resonance imaging and nMR relaxometry

    Gıda ve hidrojel sistemlerinde kütle transferi sürecinin manyetik rezonans görüntüleme ve nMR relaksometre ile deneysel ve matematiksel incelenmesi

    SEVİL ÇIKRIKCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Gıda MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALİL MECİT ÖZTOP

    PROF. DR. BEHİÇ MERT

  5. Tez No

    510636

    Aljinat filmlerinde dış çapraz bağlama ve gliserin katkısının yapı ve fiziksel özelliklere etkileri

    Effect of calcium crosslinking and glycerol plasticizing in alginate films

    MELİSA BERBEROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE HÜCESTE GİZ

Geri Dön