Puhtaiden ja vettä sisältävien polymeerien faasimuutoslämpötilojen ja vetysitoutumisen määrittäminen molekyylidynamiikkasimulaatioilla
Tuomi, Kalle (2021)
2021
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-11-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202111168440
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202111168440
Tiivistelmä
Polymeerejä käytetään moniin eri sovelluksiin putkistoista veden eristeisiin, ruuan säilytykseen, elimistössä hajoaviin ruuveihin ja pieniin elektronisiin komponentteihin. Yksi polymeerien olennainen käyttötarkoitusta määrittävä ominaisuus on polymeerin lasittumislämpötila, Tg. Lasittumislämpötilassa lasimaisen kova polymeeri alkaa vähitellen pehmetä taipuisaksi, mutta jäykäksi nesteeksi. Lasittumislämpötila voidaan määrittää polymeerille esimerkiksi termoanalyysimittauksilla, kuten differentiaalisella pyyhkäisykalorimetrialla (DSC), mutta siihen tarvitaan näytekappale kyseistä polymeeriä. Tämän työn ensisijaisena tavoitteena on tutkia polymeerien Tg:n määrittämistä laskennallisin, molekyylidynamiikkaan (MD) perustuvin, menetelmin. Lisäksi tutkitaan polymeerin sulamislämpötilan, Tm, määrittämistä ja Tg:n määrittämistä vettä sisältävissä polymeerisysteemeissä. Termisten ominaisuuksien lisäksi tutkitaan polymeerin vetysitoutumista polymeeri-vesi-systeemeissä. Kirjallisuusosuudessa käydään läpi molekyylidynamiikkaa, mitä ja miten mallinnetaan sekä eri voimakenttävaihtoehtoja.
Ensimmäisessä simulaatiosarjassa mallinnettiin poly(etyleenioksidia) (PEO) ja sen lasittumislämpötilaa Optimized Potentials for Liquid Simulations all atomistic (OPLS-AA) -voimakentällä kahdella eri menetelmällä. Työssä käytettiin Gromacs MD-simulaatio-ohjelmistoa etänä CSC:n Puhti-supertietokoneelta, jossa simulaatiot laskettiin. Ensimmäisessä menetelmässä mallinnettiin PEO:n Tg simuloimalla PEO:n tiheyksiä eri lämpötiloissa lämpöaskel kerrallaan. Toisessa menetelmässä laskettiin yhtäjaksoinen annealing-simulaatio, jossa koko tutkittava lämpötila-alue käytiin läpi yhdessä simulaatiossa tasaisella jäähdytysnopeudella. Toisessa simulaatiosarjassa määritettiin poly(-L-laktidin) (PLLA, PLA) Tg käyttäen General AMBER force field (GAFF) -voimakenttää. Kun puhtaan PLA-systeemin Tg oli määritetty, lisättiin PLA-matriisiin vettä ja tutkittiin sen vaikutusta Tg:hen. Tg-analyysien jälkeen tutkittiin PLA:n ja veden vetysitoutumista.
Tulokset osoittavat, että simuloitujen puhtaiden polymeerien Tg:t ovat varsin lähellä kokeellisia arvoja. On myös todettava, että kaikkien polymeerien mallinnus ei ole tällä hetkellä mahdollista käyttäen julkaistuja ja saatavilla olevia voimakenttiä. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että MD-simuloinnilla pystytään menestyksellisesti mallintamaan ja ennustamaan bulkkipolymeerien termisiä ominaisuuksia, kunhan polymeerille on saatavissa luotettava voimakenttä.
Ensimmäisessä simulaatiosarjassa mallinnettiin poly(etyleenioksidia) (PEO) ja sen lasittumislämpötilaa Optimized Potentials for Liquid Simulations all atomistic (OPLS-AA) -voimakentällä kahdella eri menetelmällä. Työssä käytettiin Gromacs MD-simulaatio-ohjelmistoa etänä CSC:n Puhti-supertietokoneelta, jossa simulaatiot laskettiin. Ensimmäisessä menetelmässä mallinnettiin PEO:n Tg simuloimalla PEO:n tiheyksiä eri lämpötiloissa lämpöaskel kerrallaan. Toisessa menetelmässä laskettiin yhtäjaksoinen annealing-simulaatio, jossa koko tutkittava lämpötila-alue käytiin läpi yhdessä simulaatiossa tasaisella jäähdytysnopeudella. Toisessa simulaatiosarjassa määritettiin poly(-L-laktidin) (PLLA, PLA) Tg käyttäen General AMBER force field (GAFF) -voimakenttää. Kun puhtaan PLA-systeemin Tg oli määritetty, lisättiin PLA-matriisiin vettä ja tutkittiin sen vaikutusta Tg:hen. Tg-analyysien jälkeen tutkittiin PLA:n ja veden vetysitoutumista.
Tulokset osoittavat, että simuloitujen puhtaiden polymeerien Tg:t ovat varsin lähellä kokeellisia arvoja. On myös todettava, että kaikkien polymeerien mallinnus ei ole tällä hetkellä mahdollista käyttäen julkaistuja ja saatavilla olevia voimakenttiä. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että MD-simuloinnilla pystytään menestyksellisesti mallintamaan ja ennustamaan bulkkipolymeerien termisiä ominaisuuksia, kunhan polymeerille on saatavissa luotettava voimakenttä.