Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Asadinejad
احمد اسدی نژاد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Payam Kelich
پیام کلیچ

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Molecular Dynamics Simulation of Poly (ethylene succinate) Crystallization Induced by Carbon Nanotubes and Graphene Nanosheets
: Study on interaction between polymer chains and nanofillers at microscopic level has drawn attention of the researchers being active in the field of polymer physical chemistry, since it plays significant role in final macroscopic properties of the resulting nanocomposites. With regards to this fact that reaching the information at atomic level calls for using highly expensive and complicated experimental apparatus, besides being a difficult task in terms of the data interpretation, therefore, exploiting the computational methods possess advantages. Among such computational means, is the molecular dynamics simulation which has enjoyed much progress thanks to the recent advances in the field of computing hardware and software facilitating molecular behavior and interactions. However, there is still need for supercomputing centers. The objective of the current research is to simulate the behavior of poly (ethylene succinate) (PES) flexible single chain, as representative biodegradable aliphatic linear polyester, via molecular dynamics, when it approaches graphene nanosheets (GNS) and single-walled carbon nanotube (CNT) surfaces. To this end, PES chain of three various lengths, 10, 20, 30 repeating units, was simulated near carbon nanotube of 30 nm long and GNS of 20×20 nm 2 area. The systems were simulated at three temperatures, 300, 350, and 400 K for 10 ns duration. The recorded snapshots from 45 simulated systems showed significant conformational changes of PES single chain in the vicinity of GNS and CNT due to van der Waals intermolecular interactions. The final conformation of adsorbed PES chain was of folded type, whose spatial dimensionality depended on nanofiller geometry. In the case of GNS, PES chain adopted a folded shape with a flat like configuration parallel with GNS plane, while it wrapped along radius of CNT, so that the end-to-end vector of PES chain assumed a parallel direction with CNT main axis, and also a parallel direction with normal vector of GNS plane. An increase in temperature was observed to favor the order parameter and overall arrangement of PES chain in final conformation, due to the enhanced level of the energy available to PES chain atoms. Furthermore, increasing CNT diameter from 1.3 to 4 nm contributed to PES chain order parameter and fold length due to the increased number of the adsorbing sites. Similar trend was also evidenced when GNS became functionalized with hydroxyl and carboxyl groups and interacted with PES chain. Gyration radius of PES chain slightly increased during the interaction with nanofiller implying a relative expansion of polymer overall size. An increase in PES chain length resulted in a decrease in diffusion coefficient and chain order parameter. Furthermore, dynamic mechanism of PES chain was initially of diffusive normal type, which turned to subdiffusive mode later, when PES became close to nanofiller surface. Keywords: Poly (ethylene succinate) – Molecular dynamics simulation – graphene nanosheets – carbon nanotube
مطالعه برهمکنش زنجیرهای پلیمری با پرکننده های نانویی در مقیاس میکروسکوپیک به دلیل تاثیر قابل ملاحظه ای که در خواص ماکروسکوپیک نهایی نانوکامپوزیتهای حاصل از آنها دارند در دهه اخیر مورد توجه ویژه پژوهشگران فعال در حوزه شیمی فیزیک پلیمرها قرار گرفته است. از آنجا که دستیابی به اطلاعات دقیق در سطح اتمی نیاز به استفاده از دستگاههای پیچیده و پرهزینه داشته و همچنین تفسیر دقیق نتایج خالی از خطا نمی باشد، لذا استفاده از روشهای مبتنی بر شیمی محاسباتی دارای برتریهای ویژه ای است. از جمله این روشها، روش دینامیک مولکولی است که با استفاده از نرم افزارهای جدید، امکان بررسی برهمکنشها و رفتار مولکولها را تسهیل نموده است، هرچند هنوز نیاز به رایانه های پرسرعت می باشد. در این پژوهش که با هدف شبیه سازی دینامیک مولکولی زنجیر انعطاف پذیر پلی (اتیلن سوکسینات) به عنوان یکی از پلی استرهای زیست تخریب پذیر خطی آلیفاتیک انجام شده است، رفتار یک زنجیر پلیمری با 10، 20، و 30 واحد تکراری در حضور یک گرافن با ابعاد 20×20 نانومتر مربع و همچنین یک نانولوله تک جداره کربنی با طول 30 نانومتر در سه دمای 300 ، 350، 400 کلوین در مدت 10 نانوثانیه بررسی شد. عکسهای فوری در لحظات مختلف از 45 سامانه بررسی شده، نشان از تغییر صورتبندی زنجیر در اثر برهمکنشهای درون مولکولی و بین مولکولی داشته که، عمدتا به دلیل شیمی مولکولها، از نوع ون دروالس است. صورتبندی تعادلی زنجیر که جذب سطحی شده است به شکل زنجیر تاه خورده بوده که به لحاظ شکل فضایی وابسته به هندسه پرکننده نانویی است. در مورد سامانه حاوی نانوصفحه گرافن، این زنجیر تا خورده به صورت دو بعدی مسطح و در مورد سامانه حاوی نانولوله کربنی، زنجیر به صورت تاه خورده بوده که حول نانولوله پیچیده است. در تمامی سامانه ها بردار انتها تا انتهای زنجیر پلیمری در وضعیت نهایی آن، به صورت تقریبا موازی با محور اصلی نانولوله کربن و تقریبا موازی با بردار نرمال بر گرافن قرار می گیرد. نظم فضایی قرارگیری زنجیر پلیمر و همچنین قابلیت تحرک اتمهای آن در کنار پرکننده های نانویی با افزایش دمای سامانه به دلیل افزایش انرژی اتمهای زنجیر تقریبا در غالب سامانه ها افزایش می یابد. افزایش قطر نانولوله کربنی از 3/1 تا 4 نانومتر منجر به افزایش نظم فضایی و کاهش ناهمگونی ساختار زنجیر جذب سطحی شده می گردد. همین اثر در مورد گرافن عاملیت دار شده با هیدروکسیل و کربوکسیل است که زنجیر پلیمری با آن برهمکنشهای قویتری نسبت به گرافن خالص نشان می دهد. در خصوص شعاع چرخش زنجیر، دیده می شود که با نزدیکی زنجیر به پرکننده های نانویی به طور تقریبی شعاع چرخش افزایش می یابد. همچنین بزرگتر شدن طول زنجیر سبب کاهش ضریب نفوذ و کاهش مشخصه نظم زنجیر خواهد شد. سازوکار دینامیک زنجیر در ابتدا به صورت نرمال (نفوذی) بوده و سپس در نزدیکی زنجیر به دلیل محدودیت در حرکت اتمهای جذب سطحی شده، به سازوکار زیرنفوذی تغییر می یابد.مقایسه نتایج میان نانولوله کربنی،گرافن خالص و گرافن عاملیت دار شده نشان می دهد که نظم فضایی زنجیر در نزدیکی گرافن عاملیت دار شده به طور نسبی بالاتر از گرافن خالص و نانولوله کربنی است. کلمات کلیدی : پلی (اتیلن سوکسینات) – شبیه سازی دینامیک مولکولی – ناوصفحه گرافن – نانولوله کربنی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی