[論文レビュー] Static scaling behavior of a crystallizable polymer melt model

Sara Jabbari‐Farouji|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、結晶化温度より上の状態における粗粒度化ポリビニルアルコールのメルトの静的スケーリング挙動を分子動力学シミュレーションを用いて調査している。長鎖（$N > 50$）は最小限のずれを伴ってフラリーの理想鎖スケーリング則に従うことが示され、結晶化の前駆体としてのプリオーダー構造やメソフェーズの存在は否定され、エンタングルド系における平均二乗変位についてのラウーズおよびリプテーション理論の予測が確認された。

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.

研究の動機と目的

• 平衡状態にある鎖長 $5 \leq N \leq 1000$ のポリマー・メルトの構造的性質を、結晶化温度よりわずかに高い温度で特徴づけること。
• メルト状態における長いポリマー鎖がフラリーのイデアルティ仮説および理想鎖スケーリング則に従うかどうかを検証すること。
• 結晶化の前駆体としてのプリオーダー構造やメソフェーズ構造の存在を調査すること。
• エンタングルド・メルトにおけるプリミティブパスを解析し、ラウーズおよびリプテーション理論のモノマーおよび重心の動的スケーリング予測を検証すること。

提案手法

• ゆっくりと冷却することで結晶化を誘発する粗粒度化ポリビニルアルコールモデルに対する分子動力学シミュレーションを実施する。
• 鎖長 $N$ に対するエンド・ツー・エンド距離およびギュレーション半径の測定により、スケーリング挙動を評価する。
• エンド・ツー・エンド距離の確率分布およびフォームファクターの解析により、理想鎖予測と比較する。
• 自己相互作用の不完全なスクリーニングを検出するためのインライン相関関数を評価する。
• 長鎖のエンタングルド系におけるプリミティブパスを計算し、ラウーズおよびリプテーション理論の平均二乗変位に対するスケーリングを検証する。
• シミュレーション結果を理想鎖、ラウーズ動力学、リプテーション理論の理論的スケーリング法則と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メルト状態における長いポリマー鎖（$N > 50$）は、フラリーの理想鎖仮説と整合するスケーリング挙動を示すか？
• RQ2 プリオーダー構造やメソフェーズ形成の兆候を示す、理想鎖統計からの顕著なずれは存在するか？
• RQ3 エンタングルド・メルトにおいて、モノマーおよび重心の平均二乗変位は、どの程度ラウーズおよびリプテーション理論の予測に従うか？
• RQ4 インライン相関関数は、メルト状態における自己相互作用のスクリーニング度合いをどの程度反映しているか？

主な発見

• 鎖長 $N > 50$ の場合、エンド・ツー・エンド距離およびギュレーション半径は、理想鎖予測 $R_g \sim N^{1/2}$ に従ってスケーリングする。
• エンド・ツー・エンド距離の確率分布およびフォームファクターは、理想鎖と良好に一致している。
• インライン相関関数はわずかなずれを示しており、自己相互作用の不完全なスクリーニングが示唆されるが、その影響は微小である。
• 結晶化の前駆体としてのプリオーダー構造やメソフェーズ構造の存在は、いかなる証拠も得られていない。
• エンタングルド・メルトにおけるモノマーおよび重心の平均二乗変位は、ラウーズおよびリプテーション理論の予測するスケーリングに従う。
• 観察されたスケーリング挙動は、結晶化転移温度より高いメルト状態において、標準的なポリマー動力学理論の妥当性を支持する。