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Multiscale simulation of polymers under shear

Chen, Xiaoyu :
Multiscale simulation of polymers under shear.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Multiscale simulation of polymers under shear
Language: English
Abstract:

This PhD thesis deals with the investigation of polymer-melt viscosity from coarse-grained simulations and with the development of a backmapping method from coarse-grained nonequilibrium systems. These studies involve both atomistic and coarse-grained (CG) descriptions. Besides these theoretical studies, efforts are also pursued on programming a code, which is designed for molecular dynamics simulations of coarse-grained polymer systems. Chapter 1 gives a short overview of polymer properties which can be investigated by means of coarse-grained simulations as well as the algorithms for viscosity calculations via molecular dynamics. Chapter 2 focuses on the study of the viscosity and the structural alteration of a coarse-grained model of polystyrene under steady shear flow via the reverse nonequilibrium molecular dynamics (RNEMD) method. The applicability of the RNEMD algorithm in predicting the viscosity of polymers is investigated. The viscometric functions predicted by the RNEMD are compared to previous studies of similar models where conventional nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) methods have been used. The performance of the dynamics of the CG model, which has been developed taking only structural information into account, is investigated. For the shortest polymer chain, the zero-shear viscosity is compared to recent experimental results. The material functions (namely the first and second normal stress difference) are discussed. Structural alteration (the average chain dimension, shear-induced alignment) under a steady shear flow is also quantitatively characterized. In Chapter 3, the problems in backmapping coarse-grained polymer models, on which a nonequilibrium shear flow has been imposed, are discussed. Backmapping is the procedure, by which the atomistic description is re-inserted into a coarse-grained configuration. Some strategies and a new backmapping protocol are proposed. In this method, the deformed conformations are maintained globally during backmapping by applying position restraints. The local optimization of the atomistic structure is performed in the presence of these restraints. The artefact of segment isolation introduced by position restraints is minimized by applying different restraint patterns iteratively. The procedure is demonstrated on the test case of atactic polystyrene under a steady shear flow. Chapter 4 reports in detail the implementation of the RNMED algorithm and the dissipative particle dynamics (DPD) methodology used as a thermostat into a numerical-potential molecular dynamics program (Ibisco). The program is partiallyredesigned in order to meet the requirements of these new algorithms. The developed code provides a reliable tool for investigating the rheological behaviour of CG models. Finally, Chapter 5 outlines some perspectives of future research.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Scherviskosität mittels Simulationen von “Coarse-Grained” (CG) vergröberten Modellen und der Entwicklung einer Methode zur Wiedereinführung von atomistischen Details in Nicht-Gleichgewichts-CG-Systemen. Diese Arbeit umfasst sowohl vollständig atomistische als auch CG Beschreibungen von polymeren Systemen. Zusätzlich zu diesen beiden theoretischen Studien wurde ein Computercode zur molekulardynamischen Simulation von CG Systemen geschrieben Kapitel 1 verschafft einen kurzen Überblick über jene Eigenschaften von Polymeren, die durch CG Simulationen untersucht werden können, und zeigt einige der konventionellen Algorithmen zur Bestimmung von cherviskositäten mittels molekulardynamischen Simulationen auf. Kapitel 2 konzentriert sich auf die Untersuchung der Scherviskosität und der Strukturänderungen in einem CG Modellsystem von Polystyrol unter konstantem Scherfluss, welcher durch “Reverse nonequilibrium molecular dynamics” (RNEMD)Algorithmus induziert wurde. Die Anwendbarkeit der RNEMD Methode auf die Scherviskosität von Polymeren wurde hierbei getestet, und die durch RNEMD vorhergesagten viskometrischen Funktionen wurden mit bereits durch konventionelle Nichtgleichgewichtssimulationen (NEMD) errechneten Literaturwerten verglichen. Ebenso wurde die Effizienz des CG Models, welches ausschliesslich Strukturdaten verwendet, untersucht. Für die kürzeste Polymerkette wird die Nullscherviskosität mit aktuellen experimentellen Daten verglichen. Die Materialfunktionen (explizit die erste und die zweite Normaldruckdifferenz) werden genauso diskutiert, wie die Strukturveränderung (durchschnittliches Kettenvolumen und scherinduziertes Ausrichten) unter konstantem Scherfluss. Kapitel 3 behandelt die Probleme der Wiedereinführung atomistischer Details in CG Polymerkonfigurationen, die einem Nichtgleichgewichts-Scherfluss unterworfen wurden. Das entsprechende Verfahren heisst “Reverse Mapping”. Hier werden einige Strategien zur Wiedereinführung aufgezeigt und ein neues Reverse Mapping Protokoll vorgeschlagen. In dieser Methode werden die deformierten Polymerkonformationen während des Reverse Mapping Prozesses durch Anwendung äusserer Kräfte beibehalten. Die dadurch eingeführten Artefakte der Isolierung einzelner Segmente wird minimiert, indem verschiedene Fixierungsmuster iterativ angewendet werden. Das Verfahren wird anhand von ataktischem Polystyrol unter konstantem Scherfluss demonstriert. Kapitel 4 behandelt detailliert die Impementierung des RNEMD Algorithmus und die Implementierung der “Dissipative Particle Dynamics” (DPD) Methode in ein mit numerischen Potentialen arbeitendes Molekulardynamik-Programm (IBIsco). Das Programm wurde teilweise überarbeitet, um die richtigen Voraussetzungen für obige Algorithmen zu schaffen. Der hierbei entwickelte Code ist ein verlässliches Instrument zur Untersuchung von rheologischem Verhalten von CG Modellen. Kapitel 5 zeigt schliesslich einige Perspektiven und Ansätze für zukünftige Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet auf.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10402
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Müller-Plathe, Prof. Dr. Florian and Reggelin, Prof. Dr. Michael
Refereed: 7 July 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1040
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