Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts

In this work, blends of ring and linear poly(ethylene oxide) (PEO) chains have been studied, a widely used polymer with well-known characteristics. The main focus was on ring PEO molecules, as they exhibit material properties that are very different from those of linear analogues, due to the absence...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Παπαδόπουλος, Γεώργιος
Άλλοι συγγραφείς: Μαυραντζάς, Βλάσης
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2018
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/11703
id nemertes-10889-11703
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Polymer rings
Linear topological entanglements
Threadings
Κυκλικά πολυμερή
Τήγμα
Δακτύλιοι
Τοπολογικές αλληλεπιδράσεις
547.28
spellingShingle Polymer rings
Linear topological entanglements
Threadings
Κυκλικά πολυμερή
Τήγμα
Δακτύλιοι
Τοπολογικές αλληλεπιδράσεις
547.28
Παπαδόπουλος, Γεώργιος
Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
description In this work, blends of ring and linear poly(ethylene oxide) (PEO) chains have been studied, a widely used polymer with well-known characteristics. The main focus was on ring PEO molecules, as they exhibit material properties that are very different from those of linear analogues, due to the absence of chain ends and their closed-loop structure. We have performed molecular dynamics (MD) simulations of melt systems consisting of a small number of long PEO molecules immersed in a host matrix of linear PEO chains, following a recent neutron spin echo spectroscopy study (Goossen et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 148302). The results are compared with the experimental data of the work above, and include a thorough study on the structure, the conformational properties and the dynamics of the simulated blends. These regard calculations such as the segmental and the diffusion dynamics, the dynamic structure factor and a comparison with the Rouse model, emphasizing on their dependence on the length of the host linear chains. Interestingly, in unentangled matrices ring chains swell and their diffusion dynamics become evidently faster. Our results are supported by a geometric analysis of topological interactions which reveals significant threading of all rings by the linear chains. In most cases, each ring is simultaneously threaded by a large number of linear chains. As a result, ring dynamics at times longer than the characteristic entanglement time τe is completely dictated by the release of the topological restrictions imposed by these threading events. Our topological analysis did not indicate any effect of the few rings on the statistics of the network of primitive paths of the host linear chains.
author2 Μαυραντζάς, Βλάσης
author_facet Μαυραντζάς, Βλάσης
Παπαδόπουλος, Γεώργιος
format Thesis
author Παπαδόπουλος, Γεώργιος
author_sort Παπαδόπουλος, Γεώργιος
title Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
title_short Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
title_full Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
title_fullStr Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
title_full_unstemmed Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
title_sort microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts
publishDate 2018
url http://hdl.handle.net/10889/11703
work_keys_str_mv AT papadopoulosgeōrgios microscopicdynamicsandtopologicalinteractionsofpolymerringsinlinearchainmelts
AT papadopoulosgeōrgios mikroskopikēdynamikēkaitopologikesallēlepidraseispolymerikōndaktyliōnsetēgmagrammikōnalysidōn
_version_ 1771297336881840128
spelling nemertes-10889-117032022-09-05T20:23:00Z Microscopic dynamics and topological interactions of polymer rings in linear chain melts Μικροσκοπική δυναμική και τοπολογικές αλληλεπιδράσεις πολυμερικών δακτυλίων σε τήγμα γραμμικών αλυσίδων Παπαδόπουλος, Γεώργιος Μαυραντζάς, Βλάσης Τσιτσιλιάνης, Κωνσταντίνος Δημακόπουλος, Ιωάννης Papadopoulos, Georgios Polymer rings Linear topological entanglements Threadings Κυκλικά πολυμερή Τήγμα Δακτύλιοι Τοπολογικές αλληλεπιδράσεις 547.28 In this work, blends of ring and linear poly(ethylene oxide) (PEO) chains have been studied, a widely used polymer with well-known characteristics. The main focus was on ring PEO molecules, as they exhibit material properties that are very different from those of linear analogues, due to the absence of chain ends and their closed-loop structure. We have performed molecular dynamics (MD) simulations of melt systems consisting of a small number of long PEO molecules immersed in a host matrix of linear PEO chains, following a recent neutron spin echo spectroscopy study (Goossen et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 148302). The results are compared with the experimental data of the work above, and include a thorough study on the structure, the conformational properties and the dynamics of the simulated blends. These regard calculations such as the segmental and the diffusion dynamics, the dynamic structure factor and a comparison with the Rouse model, emphasizing on their dependence on the length of the host linear chains. Interestingly, in unentangled matrices ring chains swell and their diffusion dynamics become evidently faster. Our results are supported by a geometric analysis of topological interactions which reveals significant threading of all rings by the linear chains. In most cases, each ring is simultaneously threaded by a large number of linear chains. As a result, ring dynamics at times longer than the characteristic entanglement time τe is completely dictated by the release of the topological restrictions imposed by these threading events. Our topological analysis did not indicate any effect of the few rings on the statistics of the network of primitive paths of the host linear chains. Στην παρούσα εργασία εξετάστηκαν μίγματα γραμμικών και κυκλικών πολυμερικών μορίων πολυαιθυλενοξειδίου (PEO), ενός ευρέως χρησιμοποιούμενου πολυμερούς, με πολύ καλά μελετημένα χαρακτηριστικά. Ο κύριος στόχος της εργασίας ήταν η μελέτη των κυκλικών μορίων PEO, καθώς εμφανίζουν ιδιότητες πολύ διαφορετικές από των αντίστοιχων γραμμικών αλυσίδων, που οφείλονται στην γεωμετρία κλειστού βρόγχου και στην απουσία άκρων. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) σε συστήματα διαπλεγμένων κυκλικών μορίων σε μικρή συγκέντρωση σε πολυμερική μήτρα γραμμικών αλυσίδων, ακολουθώντας μία πρόσφατη μελέτη διάσπασης ηχούς σπιν νετρονίων (neutron spin echo) από τους Gooßen et al., Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 148302. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων συγκρίθηκαν με τα πειραματικά ευρήματα της παραπάνω εργασίας, και περιλαμβάνουν μία λεπτομερή ανάλυση των δομικών ιδιοτήτων, των ιδιοτήτων διαμόρφωσης και της δυναμικής των αλυσίδων. Ειδικότερα πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί που αφορούν την δυναμική της διάχυσης, τον δυναμικό παράγοντα δομής καθώς και την σύγκριση με το μοντέλο Rouse, δίνοντας έμφαση στην εξάρτησή τους από το μήκος των γραμμικών αλυσίδων στο μίγμα. Αξιοπρόσεκτα, στις μη-διεπλεγμένες γραμμικές μήτρες, μολονότι οι πολυμερικοί δακτύλιοι διογκώνονται, η δυναμική της διάχυσής τους επιταχύνεται αισθητά. Τα αποτελέσματα αυτά υποστηρίζονται και από μία γεωμετρική ανάλυση των τοπολογικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των γραμμικών και των κυκλικών μορίων, που αποκαλύπτει σημαντική διαπέραση όλων των δακτυλίων από γραμμικές αλυσίδες. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μεγάλος αριθμός γραμμικών είχε διεισδύσει σε κάθε ένα δακτύλιο. Ως αποτέλεσμα, η δυναμική των δακτυλίων σε χρόνους μεγαλύτερους του τe υπαγορεύεται πλήρως από την χαλάρωση των τοπολογικών περιορισμών που επιβάλλουν αυτές οι διαπεράσεις. Η τοπολογική μας ανάλυση δεν έδειξε κάποια επίδραση των λίγων κυκλικών μορίων στην στατιστική του δικτύου των πρωτογενών δρόμων της γραμμικής πολυμερικής μήτρας. 2018-10-17T14:05:14Z 2018-10-17T14:05:14Z 2018-07-20 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11703 en 0 application/pdf