Transitions of tethered polymer chains: A simulation study with the bond fluctuation lattice model

A polymer chain tethered to a surface may be compact or extended, adsorbed or desorbed, depending on interactions with the surface and the surrounding solvent. This leads to a rich phase diagram with a variety of transitions. To investigate these transitions we have performed Monte Carlo simulations of a bond-fluctuation model with Wang-Landau and umbrella sampling algorithms in a two-dimensional state space. The simulations' density of states results have been evaluated for interaction parameters spanning the range from good to poor solvent conditions and from repulsive to strongly attractive surfaces. In this work, we describe the simulation method and present results for the overall phase behavior and for some of the transitions. For adsorption in good solvent, we compare with Metropolis Monte Carlo data for the same model and find good agreement between the results. For the collapse transition, which occurs when the solvent quality changes from good to poor, we consider two situations corresponding to three-dimensional (hard surface) and two-dimensional (very attractive surface) chain conformations, respectively. For the hard surface, we compare tethered chains with free chains and find very similar behavior for both types of chains. For the very attractive surface, we find the two-dimensional chain collapse to be a two-step transition with the same sequence of transitions that is observed for three-dimensional chains: a coil-globule transition that changes the overall chain size is followed by a local rearrangement of chain segments.Comment: 17 pages, 12 figures, to appear in J. Chem. Phy

Computer-Simulationen zur Strukturbildung von einzelnen Polymerketten

In dieser Arbeit wurden die Phasenübergänge einer einzelnen Polymerkette mit Hilfe der Monte Carlo Methode untersucht. Das Bondfluktuationsmodell wurde zur Simulation benutzt, wobei ein attraktives Kastenpotential zwischen allen Monomeren der Polymerkette gewirkt hat. Drei Arten von Bewegungen sind eingeführt worden, um die Polymerkette richtig zu relaxieren. Diese sind die Hüpfbewegung, die Reptationsbewegung und die Pivotbewegung. Um die Volumenausschlußwechselwirkung zu prüfen und um die Anzahl der Nachbarn jedes Monomers zu bestimmen ist ein hierarchischer Suchalgorithmus eingeführt worden. Die Zustandsdichte des Modells ist mittels des Wang-Landau Algorithmus bestimmt worden. Damit sind thermodynamische Größen berechnet worden, um die Phasenübergänge der einzelnen Polymerkette zu studieren. Wir haben zuerst eine freie Polymerkette untersucht. Der Knäuel-Kügelchen Übergang zeigt sich als ein kontinuierlicher Übergang, bei dem der Knäuel zum Kügelchen zusammenfällt. Der Kügelchen-Kügelchen Übergang bei niedrigeren Temperaturen ist ein Phasenübergang der ersten Ordnung, mit einer Koexistenz des flüssigen und festen Kügelchens, das eine kristalline Struktur hat. Im thermodynamischen Limes sind die Übergangstemperaturen identisch. Das entspricht einem Verschwinden der flüssigen Phase. In zwei Dimensionen zeigt das Modell einen kontinuierlichen Knäuel-Kügelchen Übergang mit einer lokal geordneten Struktur. Wir haben ferner einen Polymermushroom, das ist eine verankerte Polymerkette, zwischen zwei repulsiven Wänden im Abstand D untersucht. Das Phasenverhalten der Polymerkette zeigt einen dimensionalen crossover. Sowohl die Verankerung als auch die Beschränkung fördern den Knäuel-Kügelchen Übergang, wobei es eine Symmetriebrechung gibt, da die Ausdehnung der Polymerkette parallel zu den Wänden schneller schrumpft als die senkrecht zu den Wänden. Die Beschränkung hindert den Kügelchen-Kügelchen Übergang, wobei die Verankerung keinen Einfluss zu haben scheint. Die Übergangstemperaturen im thermodynamischen Limes sind wiederum identisch im Rahmen des Fehlers. Die spezifische Wärme des gleichen Modells aber mit einem abstoßendem Kastenpotential zeigt eine Schottky Anomalie, typisch für ein Zwei-Niveau System.In this work the phase transitions of a single polymer chain were investigated by means of the Monte Carlo method. The bond-fluctuation model was used for the simulations, where an attractive square well potential acts between all monomers of the chain. Three kinds of moves were introduced to obtain a good relaxation of the chain conformations. These are the hopping move, the slithering snake move and the pivot move. A hierarchical search algorithm was introduced to check the excluded volume interaction and to determine the number of neighbors of each monomer. The density of states of the model was determined by means of the Wang-Landau algorithm. From it thermodynamic quantities were calculated in order to study the phase transitions of the single polymer chain. We have first investigated a free polymer chain. The coil-globule transition shows itself as a continuous transition, where the coil collapses to the globule. The globule-globule transition at lower temperature is a first order phase transition, with a coexistence of the liquid globule and the solid globule, which has a crystalline structure. The transition temperatures are the same in the thermodynamic limit. This signifies the disappearance of the liquid phase. In two dimensions the model shows a continuous coil-globule transition with a locally ordered structure. We have also investigated a polymer mushroom, i.e., an anchored polymer chain, between two repulsive walls a distance D apart. The phase behavior of such a polymer chain shows a dimensional crossover. The anchoring as well as the confinement further the coil-globule transition, which shows a symmetry breaking, where the extension of the polymer chain parallel to the walls shrinks faster than the one perpendicular to the walls. The confinement hinders the globule-globule transition, whereas the anchoring shows no effect. The transition temperatures were again the same in the thermodynamic limit within the error bars. The specific heat of the same model but with a repulsive step potential shows a Schottky anomaly, typical for a two-level system