Authors:	Spirin, Leonid
Title:	Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems
Online publication date:	19-Jan-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte. By means of Molecular Dynamics simulations we investigate brush-like systems under good solvent conditions. These systems are important in many industrial applications due to their rich properties depending on the molecular parameters and external conditions. It is believed that polymer brushes play a crucial role in nature due to their unique lubrication properties. A simple coarse-grained model is used to investigate structural and dynamic properties of two highly compressed polymer brushes that exhibit low friction. However, the lubrication properties of these systems are strongly influenced by embedded molecules, which often are present in biological systems. We study so-called "soft colloids", which are embedded between two polymer brushes, and investigate how these macroobjects effect the brushes.rnrnrnNon-equilibrium Molecular Dynamics simulations are performed, in which hydrodynamic interactions are taken into account applying the DPD thermostat in presence of explicit solvent molecules. We show thatthe knowledge of the system's properties in static equilibrium allows to predict dynamic properties of the bilayer.rnrnWe study how the effective interactions between the colloidal inclusions are influenced by the presence of the brushes (as a function of the softness of the colloids and the grafting density of the brushes). As a next step, we investigate the rheological response of such complex bilayers to steady shear. We develop a scaling theory that predicts the dependence of the macroscopic transport properties and the lateral extension of the grafted chains on the Weissenberg number beyond linear response. The predictions are found to be in good agreement with our and previous numerical results and recent experiments. Our theory offers a way to calculate the relaxation time of the bilayer. This time, in a combination with a characteristic length scale, can be used further for a description of the transient behavior.rnrnrnWe investigate the response of the stress tensor and the deformation of the brushes during shear inversion for large Weissenberg numbers. We develop a prediction for the characteristic time after which the system reaches again steady state.rnrnElectrostatics play a crucial role in many biological processes. The lubrication properties of polymer brushes are significantly influenced by the presence of long-range interactions. For different strengths of electrostatic interactions we investigate rheological properties of the bilayer and compare to neutral brushes. We show the continuous transition of the system properties from neutral to strongly charged brushes by varying the Bjerrum length and the charge density.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2313
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-25501
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	1116 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen