Υπολογιστικές προσομοιώσεις κρυστάλλωσης πολυμερικών τηγμάτων

Abstract

The purpose of this thesis is to study the melting and crystallization of isotactic polypropylene. Τhe structural, thermodynamic, and dynamical properties of the polymer were studied under various conditions of temperature and pressure, in various phases and model geometries. The various crystalline polymorphs of isotactic polypropylene (α, β and γ) were reconstructed from crystallographic data; hydrogen atoms were introduced in the α1 and α2 polymorphs. The fully flexible molecular model developed in a previous study of isotactic polypropylene in the melt state was transferred from the computational package LAMMPS to the computational package Gromacs, without the need to modify any part of the code. Structural and volumetric properties of the melt were reproduced. The model was subsequently transferred from the melt to the crystal state. Various properties of the crystalline phase were calculated, including the elastic constants. The melting process of the crystalline polymer was studied by using crystal structures of finite molecular weight, which were constructed from corresponding structures of infinite molecular weight. Finally, an attempt was made to study the phenomenon of crystallization by generating structures consisting of alternating layers of crystal and melt (sandwich structures) and examining their evolution under various temperatures. All computational experiments were performed with the method of Molecular Dynamics (MD). In the course of this thesis, the author devoted time to market research for component purchase, to the design, operation and maintenance of two parallel computer clusters with the code names Hercules and Pericles. Most computer experiments described in this thesis were performed on the latter cluster.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της τήξης και κρυστάλλωσης δομών ισοτακτικού πολυπροπυλενίου. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής μελετήθηκαν οι δομικές, θερμοδυναμικές και δυναμικές ιδιότητες ισοτακτικού πολυπροπυλενίου υπό διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, σε διάφορες φάσεις και γεωμετρίες. Καταρχάς κατασκευάστηκαν οι μοριακές δομές ισοτακτικού πολυπροπυλενίου από κρυσταλλικά δεδομένα (α, β, και γ μορφή) και τοποθετήθηκαν τα υδρογόνα στην α1 και α2 μορφή. Το πλήρες εύκαμπτο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για προσομοίωση του τήγματος σε προηγούμενη εργασία μεταφέρθηκε από το υπολογιστικό πακέτο LΑΜMPS στο υπολογιστικό πακέτο Gromacs με τετοιο τρόπο, ούτως ώστε να μη χρειάζεται καμιά τροποποίηση του κώδικα του πακέτου προσομοίωσης. Αναπαρήχθησαν σε μεγάλο βαθμό τα αποτελέσματα για τη δομή και την ογκομετρική συμπεριφορά στο τήγμα του ισοτακτικού πολυπροπυλενίου και έγινε μεταφορά του δυναμικού στην α2 κρυσταλλική μορφή του. Υπολογίστηκαν ιδιότητες της κρυσταλλικής φάσης, συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών ιδιοτήτων αυτής. Μελετήθηκε το φαινόμενο της τήξης πολυμερικών δομών με τη χρησιμοποίηση κρυσταλλικών δομών πεπερασμένου μοριακού βάρους, οι οποίες κατασκευάστηκαν από αντίστοιχες απείρου μοριακού βάρους. Τέλος, έγινε προσπάθεια μελέτης του φαινομένου κρυστάλλωσης πολυμερικών τηγμάτων δημιουργώντας συστήματα επάλληλων στρωμάτων τήγματος-κρυστάλλου (δομές Σάντουιτς) και μελετώντας την εξέλιξή τους υπό διάφορες θερμοκρασίες. Όλες οι προσομοιώσεις διεξάχθηκαν με τη μέθοδο της μοριακής δυναμικής (MD). Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής ο συγγραφέας συμμετέσχε στην επανασυναρμολόγηση και την επίβλεψη της συστάδας υπολογιστών (cluster) με τον κωδικό όνομα Hercules. Συμμετέσχε επίσης στην έρευνα αγοράς, στο σχεδιασμό, τη συναρμολόγηση και επίβλεψη της συστάδας υπολογιστών με το κωδικό όνομα Pericles, στην οποία και διεξάχθηκαν τα περισσότερα των υπολογιστικών πειραμάτων.