Simulation of Entangled Polymer Solutions

We present a computer simulation of entangled polymer solutions at equilibrium. The chains repel each other via a soft Gaussian potential, appropriate for semi-dilute solutions at the scale of a correlation blob. The key innovation to suppress chain crossings is to use a pseudo-continuous model of a backbone which effectively leaves no gaps between consecutive points on the chain, unlike the usual bead-and-spring model. Our algorithm is sufficiently fast to observe the entangled regime using a standard desktop computer. The simulated structural and mechanical correlations are in fair agreement with the expected predictions for a semi-dilute solution of entangled chains

Polymer brush collapse under shear flow

Shear responsive surfaces offer potential advances in a number of applications. Surface functionalisation using polymer brushes is one route to such properties, particularly in the case of entangled polymers. We report on neutron reflectometry measurements of polymer brushes in entangled polymer solutions performed under controlled shear, as well as coarse-grained computer simulations corresponding to these interfaces. Here we show a reversible and reproducible collapse of the brushes, increasing with the shear rate. Using two brushes of greatly different chain lengths and grafting densities, we demonstrate that the dynamics responsible for the structural change of the brush are governed by the free chains in solution rather than the brush itself, within the range of parameters examined. The phenomenon of the brush collapse could find applications in the tailoring of nanosensors, and as a way to dynamically control surface friction and adhesion

Entangled polymer flows at interfaces

La friction d'une surface en réaction au cisaillement pourrait devenir un élément important dans des diverses technologies telles que la microfluidique, la lubrification ou encore la production et le traitement des polymères. Notre système modèle est constitué d'une brosse polymère sous un écoulement d'une solution de polymère enchevêtrée. La structure de la brosse a été sondée expérimentalement par Rhéo - Réflectométrie Neutronique, ainsi que par la simulation numérique basée sur des globules très "mous" ("blobs" en anglais). Dans les simulations on montre pour la première fois qu'il est bien possible de supprimer le croisement de chaînes de polymères pour ensuite pouvoir observer la dynamique d'enchevêtrement grâce uniquement au potentiel répulsif des globules. Pour confiner ces globules entre deux plaques dures, on propose une nouvelle condition limite, appelée mirror-and-shift, qui produit un comportement de profil de densité monotone et non oscillatoire à l'interface. Ces innovations de simulation sont ensuite combinées et leur résultat est comparé avec nos mesures expérimentales de l'épaisseur de la brosse polymère, en fonction de taux de cisaillement. Un bon accord quantitatif est obtenu, dont la conclusion est que l'épaisseur de la brosse s'effondre perpendiculairement au cisaillement appliqué, ce qui est un effet non-linéaire de second ordre. On attribue cet effet à la différence des contraintes normales, qui se produit communément dans des liquides de polymères enchevêtrés lorsqu'il sont poussés vers leur régime de rhéofluidification par un flot suffisant.Shear responsive friction at solid-liquid interfaces could become an important component in various technologies such as microfluidics, lubrication and polymer processing. Our model system is a polymer brush grafted on a solid substrate, subject to shear flow by an entangled polymer solution. The structure of the brush was probed both experimentally by Rheo - Neutron Reflectometry, and by computer simulations based on soft blobs. In the simulations we demonstrate for the first time that it is possible to suppress polymer chain crossings and observe entanglement dynamics using only the soft blob repulsive potential. To confine the blobs between two hard plates we introduce a new boundary condition, mirror-and-shift, which enables a monotonic, rather than oscillatory, density profile climb at the interface. The simulation techniques are then combined and compared against experimental measurement of polymer brush thickness as a function of shear rate. A good quantitative agreement is obtained, concluding that the brush thickness collapses perpendicularly to the applied shear flow, and is thus a non-linear second order effect. We attribute this effect to the normal stress difference, commonly occurring in entangled polymer liquids in their shear thinning flow regime

Ecoulement de polymères enchevêtrés aux interfaces

Shear responsive friction at solid-liquid interfaces could become an important component in various technologies such as microfluidics, lubrication and polymer processing. Our model system is a polymer brush grafted on a solid substrate, subject to shear flow by an entangled polymer solution. The structure of the brush was probed both experimentally by Rheo - Neutron Reflectometry, and by computer simulations based on soft blobs. In the simulations we demonstrate for the first time that it is possible to suppress polymer chain crossings and observe entanglement dynamics using only the soft blob repulsive potential. To confine the blobs between two hard plates we introduce a new boundary condition, mirror-and-shift, which enables a monotonic, rather than oscillatory, density profile climb at the interface. The simulation techniques are then combined and compared against experimental measurement of polymer brush thickness as a function of shear rate. A good quantitative agreement is obtained, concluding that the brush thickness collapses perpendicularly to the applied shear flow, and is thus a non-linear second order effect. We attribute this effect to the normal stress difference, commonly occurring in entangled polymer liquids in their shear thinning flow regime.La friction d'une surface en réaction au cisaillement pourrait devenir un élément important dans des diverses technologies telles que la microfluidique, la lubrification ou encore la production et le traitement des polymères. Notre système modèle est constitué d'une brosse polymère sous un écoulement d'une solution de polymère enchevêtrée. La structure de la brosse a été sondée expérimentalement par Rhéo - Réflectométrie Neutronique, ainsi que par la simulation numérique basée sur des globules très "mous" ("blobs" en anglais). Dans les simulations on montre pour la première fois qu'il est bien possible de supprimer le croisement de chaînes de polymères pour ensuite pouvoir observer la dynamique d'enchevêtrement grâce uniquement au potentiel répulsif des globules. Pour confiner ces globules entre deux plaques dures, on propose une nouvelle condition limite, appelée mirror-and-shift, qui produit un comportement de profil de densité monotone et non oscillatoire à l'interface. Ces innovations de simulation sont ensuite combinées et leur résultat est comparé avec nos mesures expérimentales de l'épaisseur de la brosse polymère, en fonction de taux de cisaillement. Un bon accord quantitatif est obtenu, dont la conclusion est que l'épaisseur de la brosse s'effondre perpendiculairement au cisaillement appliqué, ce qui est un effet non-linéaire de second ordre. On attribue cet effet à la différence des contraintes normales, qui se produit communément dans des liquides de polymères enchevêtrés lorsqu'il sont poussés vers leur régime de rhéofluidification par un flot suffisant

Ecoulement de polymères enchevêtrés aux interfaces

Shear responsive friction at solid-liquid interfaces could become an important component in various technologies such as microfluidics, lubrication and polymer processing. Our model system is a polymer brush grafted on a solid substrate, subject to shear flow by an entangled polymer solution. The structure of the brush was probed both experimentally by Rheo - Neutron Reflectometry, and by computer simulations based on soft blobs. In the simulations we demonstrate for the first time that it is possible to suppress polymer chain crossings and observe entanglement dynamics using only the soft blob repulsive potential. To confine the blobs between two hard plates we introduce a new boundary condition, mirror-and-shift, which enables a monotonic, rather than oscillatory, density profile climb at the interface. The simulation techniques are then combined and compared against experimental measurement of polymer brush thickness as a function of shear rate. A good quantitative agreement is obtained, concluding that the brush thickness collapses perpendicularly to the applied shear flow, and is thus a non-linear second order effect. We attribute this effect to the normal stress difference, commonly occurring in entangled polymer liquids in their shear thinning flow regime.La friction d'une surface en réaction au cisaillement pourrait devenir un élément important dans des diverses technologies telles que la microfluidique, la lubrification ou encore la production et le traitement des polymères. Notre système modèle est constitué d'une brosse polymère sous un écoulement d'une solution de polymère enchevêtrée. La structure de la brosse a été sondée expérimentalement par Rhéo - Réflectométrie Neutronique, ainsi que par la simulation numérique basée sur des globules très "mous" ("blobs" en anglais). Dans les simulations on montre pour la première fois qu'il est bien possible de supprimer le croisement de chaînes de polymères pour ensuite pouvoir observer la dynamique d'enchevêtrement grâce uniquement au potentiel répulsif des globules. Pour confiner ces globules entre deux plaques dures, on propose une nouvelle condition limite, appelée mirror-and-shift, qui produit un comportement de profil de densité monotone et non oscillatoire à l'interface. Ces innovations de simulation sont ensuite combinées et leur résultat est comparé avec nos mesures expérimentales de l'épaisseur de la brosse polymère, en fonction de taux de cisaillement. Un bon accord quantitatif est obtenu, dont la conclusion est que l'épaisseur de la brosse s'effondre perpendiculairement au cisaillement appliqué, ce qui est un effet non-linéaire de second ordre. On attribue cet effet à la différence des contraintes normales, qui se produit communément dans des liquides de polymères enchevêtrés lorsqu'il sont poussés vers leur régime de rhéofluidification par un flot suffisant

Simulation of long polymer chains under shear flow

Simulation of long polymer chains under shear flow -------------------------------------------------- ************* by Airidas Korolkovas ************* --- Overview --- This software numerically solves the equation of motion for a network of long (entangled) polymer chains. The physics and math were originally described in this publication: (attached here) Airidas Korolkovas, Philipp Gutfreund, and Jean-Louis Barrat. "Simulation of entangled polymer solutions." The Journal of Chemical Physics 145.12 (2016): 124113. The extension for shear flow is described in this article: (also attached) Airidas Korolkovas, Philipp Gutfreund, and Maximilian Wolff. "Dynamical structure of entangled polymers simulated under shear flow." (in preparation) --- System requirements --- The code runs in Matlab, and was tested for the Matlab 2016a version. There is both a CPU and a GPU option (about 10-50x faster). To run the GPU code effectively, a CUDA-enabled Nvidia card is required. Quadro M5000 model was tested to give acceptable performance