Wir stellen eine neue Technik vor, mit deren Hilfe Verschlaufungen, sogenannte "Entanglements", in stark vergröberten Polymerketten in Molekular-Simulationen zu behandeln. Diese Verschlaufungen sind sehr wichtig für das dynamische Verhalten der Ketten und bestimmen die Rheologie des Materials. Molekular-Simulationen nutzen oftmals eine vergröberte Darstellung der Moleküle um Rechenzeit zu sparen. Dies ist besonders wichtig bei der Simulation von Polymeren aufgrund der weiten Zeit und Längen Skalen. Hierbei wird die Kette nicht durch ihre einzelnen Atome, sondern durch wenige Wiederholungseinheiten dargestellt. Diese Kugeln können mehrere Atome, Monomere oder sogar ganze Kettensegmente repräsentieren könne. Die resultierenden nichtbindenden Wechselwirkungen zwischen den Kugeln nehmen mit der Vergröberung ab, um die Kettenstatistik beizubehalten. Bei starker Vergröberung reichen die nichtbindenden Wechselwirkungen nicht aus um die Ketten auseinander zu halten. Die Ketten können sich dann einfach kreuzen. Daraus folgt, dass diese sich nicht mit ihren benachbarten Ketten verschlaufen können. Die Abwesenheit der Verschlaufungen führt zu einer beschleunigten Polymerdynamik. Wichtige dynamische Eigenschaften wie Diffusion oder Viskosität, werden im Vergleich zu verschlauften Polymeren deutlich überschätzt. Das viskoelastische Verhalten, eine Schlüsseleigenschaft die Polymere im Vergleich zu anderen Materialen auszeichnet, ist ohne Verschlaufungen nicht mehr vorhanden. Die vorgestellte Methode fügt künstliche Bindungen in das System ein um den Verlust an Verschlaufungen zu kompensieren. Diese Bindungen aehneln dabei den Verbindungen in einem Netzwerk. Allerdings, ist im Unterschied zum Netzwerk ihre Position nicht fest. Die Bindungen können sich entlang der Kette bewegen und können am Kettenende gebildet und zerstört werden. Aus dieser Bewegung entstamm auch der Name "slip-springs" fuer die Bindungen.
Durch diese "slip-springs" wird die Kettendynamik so beeinflusst, dass sie der von Ketten mit Verschlaufungen gleicht. Die statischen Eigenschaften der Ketten bleiben dabei unberührt. Die hier vorgestellte Methode unterscheidet sich von vielen bereits existierenden "slip-spring" oder "slip-link" Methoden durch die Kombination mit "Dissipative Particle Dynamics". Einer Simulationsmethode, die über ein besonderes Thermostat verfügt, welches Impulserhaltung lokal gewährleistet und sich somit für die Berechnung von hydrodynamischen Wechselwirkungen anbietet. Dies ist eine Vorraussetzung für die Behandlung von Polymeren in Lösung. Untersucht wurden mit unserer "slip-spring" Methode die dynamischen Eigenschaften linearer Ketten in mono- und bidispersen Schmelzen, sowie in Polymer Lösungen. Das Verhalten ist konsistent mit den theoretischen Erwartungen oder experimentellen Beobachtungen. Das Modell kann somit Rouse bzw. Zimm Verhalten für unverschlaufte Ketten, als auch das Reptations Verhalten für verschlaufte Ketten, einschließlich des Übergangs beider Regime darstellen. Unser Model zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Dynamik in allen Regimen a posteriori einstellt und somit keine zusätzlichen Parameter benötigt werden. Im Vergleich zu konventionellen "Molecular Dynamics" Simulationen, bei denen die Ketten durch die Wechselwirkungen mit harten Kernen davon abgehalten werden sich gegenseitig zu kreuzen, hat sich gezeigt, dass unsere Methode zwei Größenordnungen schneller ist. Die Methode bietet sich somit für vielfältige Anwendungen mit langen, verschlauften Polymeren an. | German |