Машинобудування і транспорт
ЗАСТОСУВАННЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЛІМЕРНИХ ТА КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ЇХНІЙ ОСНОВІ
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.
Як цитувати
[1]
«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, doi: 10.31649/1997-9266-2024-172-1-128-137.
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.
