[논문 리뷰] Static scaling behavior of a crystallizable polymer melt model

Sara Jabbari‐Farouji|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 29.

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions참고 문헌 3인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고체 전이 온도 이상에서 고립된 폴리비닐 알코올 액체의 정적 척도 행동을 분석하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용한다. 긴 사슬($N > 50$)이 최소한의 편차로 플로리의 이상 사슬 척도 법칙을 따르며, 결정화의 사전 질서 또는 메조상태 전구체가 존재하지 않음을 입증하고, 얽힌 시스템에서 평균 제곱 이동에 대한 라우즈 및 레프테이션 이론 예측을 확인한다.

ABSTRACT

We perform molecular-dynamics simulations for polymer melts of the coarse-grained polyvinyl alcohol model that crystallizes upon slow cooling. To establish the properties of its high temperature liquid state as a reference point, we characterize in detail the structural features of equilibrated polymer melts with chain lengths $5\le N \le 1000$ at a temperature slightly above their crystallization temperature. We find that the conformations of sufficiently long polymers with $N >50$ obey essentially the Flory's ideality hypothesis. The chain length dependence of the end-to-end distance and the gyration radius follow the scaling predictions of ideal chains and the probability distributions of the end-to-end distance, and form factors are in good agreement with those of ideal chains. The intrachain correlations reveal evidences for incomplete screening of self-interactions. However, the observed deviations are small. Our results rule out any pre-ordering or mesophase structure formation that are proposed as precursors of polymer crystallization in the melt. Moreover, we characterize in detail primitive paths of long entangled polymer melts and we examine scaling predictions of Rouse and the reptation theory for the mean squared displacement of monomers and polymers center of mass.

연구 동기 및 목표

• 결정화 전이 온도 이상에서 평형을 이룬 고분자 액체의 구조적 성질을 사슬 길이 $5 \leq N \leq 1000$ 범위에서 특성화하기 위해.
• 액체 상태에서 긴 고분자 사슬이 플로리의 이상성 가정과 이상 사슬 척도 법칙을 따르는지 테스트하기 위해.
• 결정화의 전구체가 될 수 있는 사전 질서 또는 메조상태 구조의 존재를 조사하기 위해.
• 얽힌 액체에서의 원자 중심 및 질량 중심 운동에 대한 라우즈 및 레프테이션 이론의 척도 예측을 검증하기 위해 원시 경로를 분석하기 위해.

제안 방법

• 결정화를 유도하기 위해 천천히 냉각하는 조건에서 군집화된 폴리비닐 알코올 모델에 대한 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 사슬 길이 $N$에 대한 척도 행동을 평가하기 위해 끝에서 끝까지의 거리와 회전 반경을 측정하기 위해.
• 이deal 사슬 예측과 비교하기 위해 끝에서 끝까지의 거리의 확률 분포와 형상 인자 분석하기 위해.
• 자기 상호작용의 완전한 스크리닝이 이루어지지 않은지를 감지하기 위해 내부 사슬 상관 함수 평가하기 위해.
• 긴 얽힌 사슬에 대한 원시 경로를 계산하여 라우즈 및 레프테이션 이론의 평균 제곱 이동에 대한 척도 예측을 검증하기 위해.
• 시뮬레이션 결과를 이상 사슬, 라우즈 동역학, 레프테이션에 대한 이론적 척도 법칙과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 상태에서 긴 고분자 사슬($N > 50$)이 플로리의 이상 사슬 가정과 일치하는 척도 행동을 보이는가?
• RQ2 결정화 이전에 사전 질서 또는 메조상태 형성이 나타나는지 확인할 수 있는 이상 사슬 통계에서의 편차가 존재하는가?
• RQ3 얽힌 액체에서 단위체와 질량 중심의 평균 제곱 이동이 라우즈 및 레프테이션 이론 예측을 어느 정도 따르는가?
• RQ4 내부 사슬 상관 관계는 액체 상태에서 자기 상호작용의 스크리닝 정도를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 사슬 길이 $N > 50$에서, 끝에서 끝까지의 거리와 회전 반경이 이상 사슬 예측 $R_g \sim N^{1/2}$에 따라 $N$에 따라 척도가 맞는다.
• 끝에서 끝까지의 거리의 확률 분포와 형상 인자는 이상 사슬과 양호한 일치를 보인다.
• 내부 사슬 상관 관계는 작은 편차만을 보이며, 자기 상호작용의 완전한 스크리닝이 이루어지지 않음을 나타내지만, 이러한 효과는 미미하다.
• 결정화의 전구체가 될 수 있는 사전 질서 또는 메조상태 구조의 증거는 발견되지 않았다.
• 얽힌 액체에서 단위체와 질량 중심의 평균 제곱 이동은 라우즈 및 레프테이션 이론의 예측 척도를 따르고 있다.
• 관측된 척도 행동은 결정화 전이 이후 액체 상태에서 표준 고분자 동역학 이론의 타당성을 지지한다.