Autoren:	Groß, Claudine
Titel:	A soft-tetramer model for diblock copolymer melts: structure formation and geometric characterization
Online-Publikationsdatum:	9-Nov-2010
Erscheinungsdatum:	2010
Sprache des Dokuments:	Englisch
Zusammenfassung/Abstract:	The ability of block copolymers to spontaneously self-assemble into a variety of ordered nano-structures not only makes them a scientifically interesting system for the investigation of order-disorder phase transitions, but also offers a wide range of nano-technological applications. The architecture of a diblock is the most simple among the block copolymer systems, hence it is often used as a model system in both experiment and theory. We introduce a new soft-tetramer model for efficient computer simulations of diblock copolymer melts. The instantaneous non-spherical shape of polymer chains in molten state is incorporated by modeling each of the two blocks as two soft spheres. The interactions between the spheres are modeled in a way that the diblock melt tends to microphase separate with decreasing temperature. Using Monte Carlo simulations, we determine the equilibrium structures at variable values of the two relevant control parameters, the diblock composition and the incompatibility of unlike components. The simplicity of the model allows us to scan the control parameter space in a completeness that has not been reached in previous molecular simulations.The resulting phase diagram shows clear similarities with the phase diagram found in experiments. Moreover, we show that structural details of block copolymer chains can be reproduced by our simple model.We develop a novel method for the identification of the observed diblock copolymer mesophases that formalizes the usual approach of direct visual observation,using the characteristic geometry of the structures. A cluster analysis algorithm is used to determine clusters of each component of the diblock, and the number and shape of the clusters can be used to determine the mesophase.We also employ methods from integral geometry for the identification of mesophases and compare their usefulness to the cluster analysis approach.To probe the properties of our model in confinement, we perform molecular dynamics simulations of atomistic polyethylene melts confined between graphite surfaces. The results from these simulations are used as an input for an iterative coarse-graining procedure that yields a surface interaction potential for the soft-tetramer model. Using the interaction potential derived in that way, we perform an initial study on the behavior of the soft-tetramer model in confinement. Comparing with experimental studies, we find that our model can reflect basic features of confined diblock copolymer melts. Die Fähigkeit von Block-Copolymeren, sich spontan in eine Vielzahl von geordneten Nanostrukturen zu organisieren, macht sie nicht nur zu einem wissenschaftlich interessanten System für die Untersuchung von Ordnungs-Unordnungs-Phasenübergängen, sondern bietet auch eine breite Palette von nanotechnologischen Anwendungen. Das Diblock-System ist das einfachste unter den Block-Copolymeren, daher wird es sowohl im Experiment als auch in der Theorie oft als Modellsystem verwendet. Wir stellen ein neues Tetramer-Modell für effiziente Computersimulationen von Diblock-Copolymerschmelzen vor. Die instantane nichtkugelförmige Gestalt der Polymerketten in der Schmelze wird dabei durch die Modellierung jedes der beiden Blöcke als zwei weiche Kugeln berücksichtigt. Die Wechselwirkungen zwischen den Kugeln werden dabei so gewählt, dass die Diblock-Schmelze bei abnehmender Temperatur zur Mikrophasenseparation neigt. Mittels Monte-Carlo-Simulationen bestimmen wir die Gleichgewichtsstrukturen für verschiedene Werte der beiden relevanten Kontrollparameter, der Zusammensetzung des Diblocks und der Unvereinbarkeit der beiden gegensätzlichen Komponenten.Die Einfachheit des Modells erlaubt es, den Raum der Kontrollparameter in einer Gründlichkeit zu untersuchen, die bisher in molekularen Simulationen unerreicht ist. Das daraus resultierende Phasendiagramm zeigt deutliche Ähnlichkeiten mit dem Phasendiagramm, das in Experimenten bestimmt wurde. Darüber hinaus zeigen wir, dass unser einfaches Modell strukturelle Eigenschaften von Block-Copolymer-Ketten reproduzieren kann. Wir entwickeln eine neuartige Methode zur Identifizierung der beobachteten Mesophasen, die mit Hilfe der charakteristischen Geometrie der Strukturen die übliche Vorgehensweise der direkten Betrachtung formalisiert. Ein Cluster-Analyse-Algorithmus wird verwendet, um Cluster bestehend aus einer Diblock-Komponente zu bestimmen, und die Anzahl und die Form der Cluster kann verwendet werden, um die Mesophase zu bestimmen. Wir setzen auch Methoden aus der Integralgeometrie für die Identifizierung von Mesophasen ein und vergleichen ihren Nutzen mit dem der Cluster-Analyse-Methode. Um die Eigenschaften unseres Modells zu untersuchen, wenn es zwischen Oberflächen eingeschlossen ist, führen wir Molekulardynamik-Simulationen von atomistischen Polyethylenschmelzen zwischen Graphitoberflächen durch. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden als Ausgangspunkt für einen iterativen Prozess verwendet, der ein Potential für die Oberflächenwechselwirkung im Tetramer-Modell erzeugt.Mithilfe des so abgeleiteten Wechselwirkungspotentials führen wir eine erste Studie zum Verhalten des Modells im Einschluss zwischen Oberflächen durch. Im Vergleich mit experimentellen Untersuchungen finden wir, dass unser Modell grundlegende Eigenschaften von eingeschlossenen Diblock-Copolymerschmelzen wiedergeben kann.
DDC-Sachgruppe:	530 Physik 530 Physics
Veröffentlichende Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Veröffentlichungsort:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-993
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-24398
Version:	Original work
Publikationstyp:	Dissertation
Nutzungsrechte:	Urheberrechtsschutz
Informationen zu den Nutzungsrechten:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang:	1186 S.
Enthalten in den Sammlungen:	JGU-Publikationen