[논문 리뷰] Kremer-Grest models for universal properties of specific common polymer species

Carsten Svaneborg, Hossein Ali Karimi‐Varzaneh외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 15.

Rheology and Fluid Dynamics Studies참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 체인 강성 매개변수를 조절하여 킵머-그레스트 입자-스프링 모델을 특정 고분자 종의 보편적 성질을 정확히 표현하도록 적응시킨다. Kuhn 세그먼트 통계와 일치하도록 체인 강성을 조정함으로써, 잘 평형화된 고분자 녹화상에서 실험적 얽힘 모듈러스와 양호한 일치를 이룩하며, 신뢰할 수 있는 시간 및 물리 단위 변환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The Kremer-Grest (KG) bead-spring model is a near standard in Molecular Dynamic simulations of generic polymer properties. It owes its popularity to its computational efficiency, rather than its ability to represent specific polymer species and conditions. Here we investigate how to adapt the model to match the universal properties of a wide range of chemical polymers species. For this purpose we vary a single parameter originally introduced by Faller and Müller-Plathe, the chain stiffness. Examples include polystyrene, polyethylene, polypropylene, cis-polyisoprene, polydimethylsiloxane, polyethyleneoxide and styrene-butadiene rubber. We do this by matching the number of Kuhn segments per chain and the number of Kuhn segments per cubic Kuhn volume for the polymer species and for the Kremer-Grest model. We also derive mapping relations for converting KG model units back to physical units, in particular we obtain the entanglement time for the KG model as function of stiffness allowing for a time mapping. To test these relations, we generate large equilibrated well entangled polymer melts, and measure the entanglement moduli using a static primitive-path analysis of the entangled melt structure as well as by simulations of step-strain deformation of the model melts. The obtained moduli for our model polymer melts are in good agreement with the experimentally expected moduli.

연구 동기 및 목표

• 키퍼-그레스트 모델의 적용 범위를 일반적인 고분자 거동을 넘어서 특정이고 일반적인 고분자 종으로 확장하기 위해.
• 기본 KG 모델이 실제 고분자 물리학을 표현하는 데 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해 가변적인 체인 강성 매개변수를 도입하기 위해.
• 실제 고분자 종인 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록세인의 Kuhn 세그먼트 통계와 일치하도록 모델을 校정하기 위해.
• KG 모델 단위와 물리 단위 사이의 매핑 관계, 특히 얽힘 시간에 대해 유도하기 위해.
• 정적 및 동적 시뮬레이션 방법을 모두 사용하여 校정된 모델을 실험적 얽힘 모듈러스와 검증하기 위해.

제안 방법

• 팔러 및 مول러-플라테가 도입한 원래의 단일 강성 매개변수를 변형하여 KG 모델 내에서 체인 강성을 조절하기 위해.
• KG 모델과 실제 고분자 종 간의 체인당 Kuhn 세그먼트 수 및 단위 Kuhn 부피당 Kuhn 세그먼트 수를 일치시키기 위해.
• 잘 평형화되고 고도로 얽힌 고분자 녹화상의 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 녹화 구조에서 얽힘 구조를 추출하기 위해 정적 기본 경로 분석을 적용하기 위해.
• 단계적 변형을 시뮬레이션하여 동적으로 얽힘 모듈러스를 측정하기 위해.
• KG 모델의 강성 매개변수와 얽힘 시간 사이의 기능적 관계를 유도하여 시간 단위 변환을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 키퍼-그레스트 모델을 체계적으로 조정하여 특정 실제 고분자 종의 보편적 구조적 및 기계적 성질을 재현할 수 있는가?
• RQ2 KG 모델에서 체인 강성을 조절함으로써 실험적 얽힘 모듈러스와의 일치도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 특히 얽힘 시간에 대해 KG 모델 단위를 물리 단위로 변환하기 위해 필요한 매핑 관계는 무엇인가?
• RQ4 정적 기본 경로 분석과 동적 단계 변형 시뮬레이션은 校정된 모델에서 일관된 얽힘 모듈러스를 도출하는가?
• RQ5 교정된 KG 모델은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록세인을 포함한 다양한 고분자를 정확히 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 교정된 KG 모델은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리디메틸실록세인을 포함한 여러 고분자 종에서 실험적으로 예상되는 얽힘 모듈러스와 뛰어난 일치를 보인다.
• 체인당 및 단위 부피당 Kuhn 세그먼트 수를 일치시킴으로써 보편적 고분자 성질의 정확한 표현이 보장된다.
• 유도된 매핑 관계를 통해 KG 모델의 시간 단위를 강성에 따라 물리적 얽힘 시간으로 변환할 수 있다.
• 정적 기본 경로 분석과 동적 단계 변형 시뮬레이션 모두 일관된 얽힘 모듈러스를 도출하여 모델의 신뢰성을 검증한다.
• 최소한의 매개변수 조정으로 잘 얽힌 고분자 녹화상의 기계적 거동을 성공적으로 캐릭터라이즈한다.