分子動力学シミュレーションによるガラス状高分子のダイナミクスと非線形レオロジー

使用分子动力学模拟进行玻璃态聚合物的动力学和非线性流变学

基本信息

批准号：
10740189
负责人：
山本量一
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1998
资助国家：
日本
起止时间：
1998 至 1999
项目状态：
已结题

项目摘要

工学的応用の重要性から、高分子液体のレオロジーに関してはこれまで既に膨大な量の研究がなされており、特に単純分子にはない高分子特有の間の絡み合い効果の理解が最近の高分子物理学の発展につながった。一方で過冷却・ガラス状高分子のレオロジーはたとえ絡み合いがない場合でも粘弾性の効果と変形にたいする非線形効果が著しいが、基本的な現象の整理すらほとんどされておらず、微視的レベルでのメカニズムの理解が必要とされている。さらにより複雑な非線形・非平衡領域のダイナミクスに関しては理論的理解が明らかに不足しており、計算機シミュレーションによる微視的物理過程への洞察が重要である。我々はGrestとKremerらによるバネビーズモデルを用いて大規模な分子動力学シミュレーションを行い、短い鎖状分子からなる過冷却液体のレオロジーを調べた。同様なモデルのシミュレーションでは、過冷却状態においてこれまで5×10^4τ(【similar or equal】τ_R:鎖の最長緩和時間)程度の計算が最長であったのを、今回我々は5×10^6τ(【similar or equal】τ10^2_Rと約100倍の計算を実行した。その結果、線形領域ではストレス緩和関数G(t)が比較的短い時間においてモノマー間の斥力相互作用の存在によってstretched exponential的に振る舞い、長時間でようやく鎖のエントロピーが支配的になりRouse関数に漸近することがわかった。せん断変形に対する過冷却液体の過渡的応答が理論的挙動と大きく異なるのは前者の存在による。さらに非線型領域での応答について調べたところ、鎖の緩和時間が著しく大きくなる過冷却・ガラス状態では、非常に弱いせん断速度に対しても高分子鎖の変形が容易に大きくなり、これがレオロジーに強烈な非線形挙動を引き起こすことを予見した。

由于工程应用的重要性，已经对聚合物液体的流变学进行了大量研究，并了解了简单分子中未发现的聚合物之间的纠缠效应，这导致了聚合物物理学的最新发展。另一方面，超冷玻璃聚合物的流变学对粘弹性和变形具有显着的非线性影响，即使没有纠缠，但几乎没有组织成基本现象，并且需要对微观水平的机制的理解。此外，对于更复杂的非线性和非平衡区域的动态显然缺乏理论理解，并且通过计算机模拟对微观物理过程的洞察力很重要。我们使用Grest和Kremer等人的弹簧珠模型进行了大规模的分子动力学模拟。研究由短链分子组成的超冷液体的流变学。在模拟类似模型的模拟中，以前在超冷状态下，最长的5×10^4τ（[相似或相等]τ_r：链的最长放松时间）的计算大约是5×10^6τ的计算大约100倍的计算（[相似或相等]τ10^2_r。在局部区域中，在局部区域中，在局部区域中进行了相互作用。在相对较短的时间内，链条熵在很短的时间内占主导地位，而前者的存在是渐近的。显着增加，即使在非常弱的剪切速率下，聚合物链的变形也很容易增加，从而导致流变学上的非线性行为。