Dynamics of free chains in polymer nanocomposites

Nanohiukkasilla täytetyn polymeerin kietoutuneiden polymeeriketjujen dynamiikkaa tutkitaan molekyylidynamiikkasimulaatioiden avulla mallisysteemistä. Ensisijaisena tavoitteena on tutkia, missä määrin polymeerien, jotka eivät ole suorassa kosketuksessa täyteaineiden kanssa, reptoituminen muuttuu puhtaaseen materiaaliin nähden. Tätä varten tarkastellaan kahta järjestelmää: Säännöllisesti täytetty materiaali, jossa täyteaineen ja polymeerin affiniteettia kontrolloidaan, ja järjestelmä, jossa simulaation tuotantovaiheen alussa täyteaineen kanssa kosketuksissa olevat helmet on sidottu täyteaineen pintaan. Tämä toinen järjestelmä edustaa raja-arvotapausta, jossa polymeerin ja täyteaineen kiinnittymisaika on pitkä. Tällöin huomio kohdistuu sulan vapaisiin ketjuihin. Dynamiikka näissä kahdessa mallissa on erilainen. Täytetyssä järjestelmässä havaitaan tasainen hidastuminen kaikkien Rouse-moodien osalta. Vaikutus vaihtelee monotonisesti täyteaineen ja polymeerin affiniteetin mukaan. Kyllästymiseen asti tämä käyttäytyminen voidaan kuvata tavanomaisilla malleilla, joissa on tehokas, affiniteetista riippuvainen kitkakerroin. Systeemissä, johon on lisätty ketjuja, vapaan ketjun Rouse-dynamiikka on samanlainen kuin puhtaassa materiaalissa, lukuun ottamatta pisimpiä moodeja, jotka hidastuvat merkittävästi. Vielä mielenkiintoisempaa on, että vapaiden ketjujen dynamiikka riippuu ei-monotonisesti polymeerin ja täyteaineen affiniteetista, vaikka vapaat ketjut eivät ole suorassa kosketuksessa täyteaineen kanssa. Tämä vaikutus johtuu pienistä muutoksista polydispersin harjan rakenteessa affiniteetin muuttuessa. Erityisesti harjan tiheys sekä vapaiden ja varttuneiden ketjujen keskinäisen tunkeutumisen määrä riippuvat täyteaineen ja polymeerin affiniteetista. Tätä käyttäytymistä voidaan kuvata reptraatiomallilla, jossa putken halkaisijaa on muutettu.

Mietitään, miten tätä käyttäytymistä voidaan kuvata.