ЗАСТОСУВАННЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРНИХ ТА КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ

Автор(и)

  • І. В. Омельчук Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
  • А. Я. Карвацький Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

DOI:

https://doi.org/10.31649/1997-9266-2024-172-1-128-137

Ключові слова:

молекулярна динаміка, числове моделювання, полімер, нанокомпозит, фізико-хімічні властивості

Анотація

Проаналізовано альтернативний експериментальному підхід до розробки нових полімерних матеріалів — комп’ютерне моделювання фізичних систем методами молекулярної динаміки, яке є потужним інструментом для прогнозування фізико-хімічних та фізико-механічних властивостей створюваних полімерів. Проведено огляд програмного забезпечення для дослідження фізико-механічних властивостей полімерів та композитів на їхній основі; силових полів для опису взаємодії атомів/молекул полімерів, наведено різні алгоритми побудови полімерних структур та їхнє врівноваження. Проаналізовано ефективність застосування різних підходів до молекулярно-динамічного моделювання полімерних та нанокомпозитних систем. Встановлено, що методи молекулярної динаміки дають можливість поглибити розуміння поведінки полімерів за різних зовнішніх умов на основі аналізу траєкторії атомістичної/молекулярної моделі з можливістю відстеження та контролю усіх параметрів процесу, фіксування найменших структурних змін. До основних недоліків вказаних методів належить потреба в потужних обчислювальних ресурсах. Проаналізовано результати молекулярно-динамічного моделювання, що включають числові дослідження теплофізичних, механічних, реологічних та трибологічних властивостей. На підставі проведеного огляду, виконано побудову та моделювання двох молекулярних моделей поліетилену, описаних різними силовими полями з використанням вільно відкритого пакету прикладних програм LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу. Встановлено, що за умови коректного застосування методів молекулярно-динамічного моделювання можна отримати результати, що відповідають експериментальним даним. Отримані значення фізичних властивостей матеріалів в подальшому можуть бути використані під час континуального моделювання.

Біографії авторів

І. В. Омельчук, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

аспірантка кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

А. Я. Карвацький, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

д-р техн. наук, професор, професор кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Посилання

G. Chyr, and J. M. DeSimone, “Review of high-performance sustainable polymers in additive manufacturing,” Green Chemistry, vol. 25, pp. 453-466, 2023. https://doi.org/10.1039/D2GC03474 .

Y. K. Choi et al., “CHARMM-GUI Polymer Builder for Modeling and Simulation of Synthetic Polymers,” Journal of Chemical Theory and Computation, vol. 17, no. 4, pp. 2431-2443, 2021. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.1c00169 .

PACKMOL, Initial configurations for Molecular Dynamics Simulations by packing optimization, [Electronic resource]. Available: https://m3g.github.io/packmol/ . Assessed: March 5, 2023.

CHARMM-GUI, Polymer Builder. [Electronic resource]. Available: http://www.charmm-gui.org/input/polymer . Assessed: March 11, 2023.

BIOVIA Materials Studio, An integrated, multi-scale modeling environment. [Electronic resource]. Available: https://www.3ds.com/products-services/biovia/products/molecular-modeling-simulation/biovia-materials-studio/ . Assessed: March 11, 2023.

CHARMM, Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics. [Electronic resource]. Available: https://www.charmm.org/. Assessed: March 11, 2023.

LAMMPS, Molecular Dynamics Simulator. [Electronic resource]. Available: https://www.lammps.org/. Assessed: March 2, 2023.

AMBER, [Electronic resource]. Available: https://ambermd.org/. Assessed: March 14, 2023.

GROMACS, A versatile package to perform molecular dynamics. [Electronic resource]. Available: https://www.gromacs.org/. Assessed: March 11, 2023.

NAMD, Scalable Molecular Dynamics. [Electronic resource]. Available: http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/. Assessed on: March 11, 2023.

OpenMM, High performance, customizable molecular simulation. [Electronic resource]. Available: https://openmm.org/. Assessed: March 11, 2023.

OVITO. [Electronic resource]. Available: https://www.ovito.org/. Assessed on: March 11, 2023.

VMD, Visual Molecular Dynamics. [Electronic resource]. Available: https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/. Assessed: March 11, 2023.

C. Chen et al., “A comparison of united atom, explicit atom, and coarse-grained simulation models for poly(ethylene oxide),” The Journal of Chemical Physics, vol. 124, no. 23, art. ID: 234901, 2006. https://doi.org/10.1063/1.2204035 .

S. L. Mayo, B. D. Olafson, and W. A. Goddard, “DREIDING: a generic force field for molecular simulations,” Journal of Physical Chemistry, vol. 94, no. 26, pp. 8897-8909, 1990. https://doi.org/10.1021/j100389a010 .

F. Deckers, K. Rasim, and C. Schröder, “Molecular dynamics simulation of polypropylene: diffusion and sorption of H2O, H2O2, H2, O2 and determination of the glass transition temperature,” Journal of Polymer Research, vol. 29, art. ID: 463, 2022. https://doi.org/10.1007/s10965-022-03304-y .

A. Singh, and D. Kumar, “Temperature effects on the interfacial behavior of functionalized carbon nanotube–polyethylene nanocomposite using molecular dynamics simulation,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: Journal of Nanomaterials, Nanoengineering and Nanosystems, vol. 233, no. 1, pp. 3-15, 2019. https://doi.org/10.1177/2397791418817852 .

TraPPE: Transferable Potentials for Phase Equilibria, The Siepmann Group, University of Minnesota. Retrieved Feb. 4, 2016. [Electronic resource]. Available: http://trappe.oit.umn.edu/ . Assessed: Mar. 17, 2023.

K. Vanommeslaeghe et al., “CHARMM General Force Field (CGenFF): A force field for drug-like molecules compatible with the CHARMM all-atom additive biological force fields,” Journal of Computational Chemistry, vol. 31, no. 4, pp. 671-690, 2010. https://doi.org/10.1002/jcc.21367 .

T. P. Senftle et al., “The ReaxFF reactive force-field: development, applications and future directions,” NPJ Computational Materials, vol. 2, no. 1, art. ID: 15011, 2016. https://doi.org/10.1038/npjcompumats.2015.11 .

N. Vu-Bac, P. M. A. Areis, and T. Rabczuk, “A multiscale multisurface constitutive model for the thermo-plastic behavior of polyethylene,” Polymer, vol. 105, pp. 327-338, Nov. 22, 2016. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.10.039 .

Q. Bao, Z. Yang, and Z. Lu, “Molecular dynamics simulation of amorphous polyethylene (PE) under cyclic tensile-compressive loading below the glass transition temperature,” Polymer, vol. 186, pp. 121968, Jan. 9, 2020. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2019.121968 .

Y. Zhang et al., “Molecular dynamics simulation of plastic deformation in polyethylene under uniaxial and biaxial tension,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, vol. 236, no. 2, pp. 389-403, 2022. https://doi.org/10.1177/14644207211045821 .

Z. Wang et al., “Molecular Dynamics Simulation of the Thermomechanical and Tribological Properties of Graphene-Reinforced Natural Rubber Nanocomposites,” Polymers, vol. 14, no. 23. art. ID: 5056, 2022. https://doi.org/10.3390/polym14235056 .

S. Yang, “Understanding Covalent Grafting of Nanotubes onto Polymer Nanocomposites: Molecular Dynamics Simulation Study,” Sensors, vol. 21, no. 8. art. ID: 2621, 2021. https://doi.org/10.3390/s21082621 .

N. Romanos, G. Megariotis, and D. N. Theodorou, “Molecular dynamics simulations of polyethylene bilayers,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 1730. art. ID 012039, pp. 1-5, 2021. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1730/1/012039 .

S. Ajori, S. Haghighi, and R. Ansari, “Molecular dynamics study on the effect of polymer physisorption on the thermal conductivity of cross-linked functionalized carbon nanotubes,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 236, no. 7, pp. 3663-3671, 2022. https://doi.org/10.1177/09544062211042405 .

Q. Wang, D. J. Keffer, S. Petrovan, and J. B. Thomas, “Molecular dynamics simulation of poly(ethylene terephthalate) oligomers,”| Journal of Physical Chemistry B, vol. 114, no. 2, pp. 786-795, 2010. https://doi.org/10.1021/jp909762j .

B. Arab and A. Shokuhfar, “Molecular Dynamics Simulation of Cross-Linked Epoxy Polymers: the Effect of Force Field on the Estimation of Properties,” Journal Nano- and Electronic Physics, vol. 5, no. 1, art. ID 01013, 2013.

P. K. Singh, K. Sharma, and M. Shukla, “Effects of functionalization on the mechanical properties of multiwalled carbon nanotubes: A molecular dynamics approach,” Journal of Composite Materials, vol. 51, no. 5, pp. 1-10, 2016. https://doi.org/10.1177/0021998316649781 .

S. Thomasa, K. M. Ajith, Sang Uck Lee, and M. C. Valsakumard, “Assessment of the mechanical properties of monolayer graphene using the energy and strain-fluctuation methods,” RSC Adv., vol. 8, pp. 27283-27292, 2018. https://doi.org/10.1039/C8RA02967A .

M. Mahbood, and M. Z. Islam, “Molecular dynamics simulations of defective CNT-polyethylene composite systems,” Computational Materials Science, vol. 79, pp. 223-229, 2013. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.05.042 .

A. Singh, and D. Kumar, “Effect of temperature on elastic properties of CNT-polyethylene nanocomposite and its interface using MD simulations,” Journal of Molecular Modeling, vol. 24, no. 7. art. ID: 178, 2018. https://doi.org/10.1007/s00894-018-3716-6 .

K. Yashiro, T. Ito, and Y. Tomita, “Molecular dynamics simulation of deformation behavior in amorphous polymer: nucleation of chain entanglements and network structure under uniaxial tension,” International Journal of Mechanical Sciences, vol. 45, no. 11, pp. 1863-1876, 2003. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2003.11.001 .

J. F. Song, H. Lei, and G. Zhao, “Improved mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene reinforced by carbon nanotubes: A molecular dynamics study,” Computational Materials Science, vol. 168, pp. 131-136, 2019. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.05.058 .

HDPE, DesignerData. [Electronic resource]. Available: https://designerdata.nl/materials/plastics/thermo-plastics/high-density-polyetheen . Assessed: Nov. 29, 2022.

Polymer Properties Database. [Electronic resource]. Available: https://polymerdatabase.com/home.html . Assessed: Nov. 29, 2022.

The Engineering ToolBox. [Electronic resource]. Available: https://www.engineeringtoolbox.com/. Assessed on: Nov. 29, 2022.

Rochling Engineering Plastic SE & Co. KG. [Electronic resource]. Available: https://www.roechling.com/industrial/products/thermoplastics-semi-finished-products/sheets-and-blocks . Assessed: May 29, 2023.

##submission.downloads##

Переглядів анотації: 50

Опубліковано

2024-02-27

Як цитувати

[1]
І. В. . Омельчук і А. Я. Карвацький, «ЗАСТОСУВАННЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРНИХ ТА КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ», Вісник ВПІ, вип. 1, с. 128–137, Лют. 2024.

Номер

Розділ

Машинобудування і транспорт

Метрики

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають