Untersuchung von Siliziumdioxid-Nanopartikeln/Polymer-Verbundstoffen : eine grobkörnig modellierte Molekulardynamik-Simulation-Studie

Abstract

Polymer / silica interface is investigated using coarse-grained molecular dynamics simulations. In particular, the different behavior of poly(acrylamide) (PAAm) and of poly(N,Ndimethylacrylamide) (PDMA) on the silica surface is compared. First, we show that the macroscopic behavior of PAAm and of PDMA are correctly represented by a model containing an explicit solvent. Then, the umbrella sampling free energy method is used to probe the detachment of PAAm and of PDMA from a silica surface and to investigate important features that allow – or not – the polymer chain to remain adsorbed on the silica surface. We prove that intra molecular interactions within the polymer and polymer / surface interactions are of first importance for the polymer chain to adsorb on silica. Surprisingly, solvent / polymer as well as solvent / surface interactions are not discriminating criteria. Polymer chains are finally constrained to a particular configuration where one chain is adsorbed on two silica surfaces that are 200 Å apart. This yields interesting insights into the evolution of the monomers lability and of the surface / polymer strength interaction when the two silica surfaces are moved apart.Im Rahmen dieses Vorhabens wird der Polymer-Siliziumdioxid-Heteroübergang vermittels einer grobkörnig modellierten Molekulardynamik-Simulation untersucht, wobei insbesondere das unterschiedliche Verhalten von Polyacrylamiden (PAAm) und Poly(N,Ndimethylacrylamiden) (PDMA) auf der Siliziumoberfläche verglichen werden soll. Zunächst werden wir nachweisen, dass gleichermaßen das makroskopische Verhalten von PAAm und PDMA korrekt durch eine Modellierung repräsentiert werden kann, die einen expliziten Solventen enthält. Daran anschließend wird die Umbrella Sampling-Free-Energy-Methode angewandt werden, um die Ablösung von PAAm und PDMA von der Siliziumdioxidoberfläche zu untersuchen bzw. die maßgeblichen Merkmale zu analysieren, die es den Polymerketten ermöglichen, an der Siliziumdioxidoberfläche adsorbiert zu bleiben – oder ebendies verhindern. In diesem Zusammenhang werden wir belegen, dass die Adsorption in erster Linie durch die intramolekularen Wechselwirkungen innerhalb der Polymere sowie die Polymer-Oberflächen-Wechselverhältnisse gestattet werden und die Interaktionen zwischen den Solventen und den Polymeren bzw. die Polymer-Oberflächen-Wechselwirkung hierfür überraschenderweise keine ausschlaggebenden Kriterien sind. In einem letzten Schritt werden die Polymere schließlich auf eine spezifische Konfiguration hin beschränkt, in der eine Polymerkette auf zwei Siliziumoxidoberflächen adsorbiert wird, die sich in einem Abstand von 200 Å zueinander befinden. Dieses Projekt bietet einen hervorragenden Einblick in die Herausbildung von labilen Monomeren und die Intensität von Polymer-Oberflächen-Wechselwirkungen im Kontext zweier sich auseinander bewegenden Siliziumoxidoberflächen