Dokument: Conformations and Interactions of
Star-Branched Polymeric Systems

Titel:	Conformations and Interactions of Star-Branched Polymeric Systems
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2243
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20020524-000243-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Jusufi, Arben [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,79 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter] Prof. Dr. Likos, Christos N. [Gutachter]
Stichwörter:	Polyelektrolyte, Kolloide, Polymere,Wechselwirkung, Konformation, Sterne, Simulationen, Weiche, Materie,GegenionenkondensationPolyelectrolytes, Colloids, Polymers, Interaction, Conformation,Stars, Simulations, Soft, Matter, counterion condensation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der effektiven Wechselwirkung in komplexen Systemen, verdeutlicht an zwei Beispielen aus der aktuellen Forschung auf dem Gebiet der weichen Materie. Zum einen berechnen wir das effektive Wechselwirkungspotential zwischen zwei sternfoermigen Polyelektrolyten (PE-Sterne), zum anderen bestimmen wir dieselbe Groesse zwischen einem ungeladenen Sternpolymer und einem harten kolloidalen Teilchen. Waehrend letzteres, aufbauend auf Erkenntnissen detaillierter theoretischer und experimenteller Untersuchungen, analysiert werden kann, sind wir im Fall von PE-Sternen, aufgrund unzureichend vorhandener Ergebnisse auf diesem Gebiet, gezwungen ein theoretisches Modell zu entwickeln, um zu naechst genauere Einsichten ueber ihre Konformation zu erhalten. Mithilfe von Molekular Dynamik Simulationen eines isolierten PE-Sterns mit expliziter Beruecksichtigung der Gegenionen, ist es moeglich Theorie- und Simulationsergebnisse direkt miteinander zu vergleichen. Wir beobachten eine inhomogene Gegenionenverteilung im Bereich des Inneren des Sterns, sowie eine deutliche Gegenionenkondensation entlang der fast voellig gestreckten Ketten. Auf diesen Erkenntnissen der Ein-Stern-Studie basierend, erweitern wir das Ein-Stern-Modell auf ein Zwei-Sterne-Modell um die effektive Wechselwirkung zu bestimmen. In diesem Zusammenhang beruecksichtigen wir die stark inhomogene Ladungsverteilung der Sterne, sowie die Moeglichkeit der Gegenionenkondensation; die Behandlung dieser Aspekte stellt ein Novum bei der Untersuchung dieser Systeme dar. Mit Hilfe der Variation der freien Energie wird das effektive Wechselwirkungspotential zwischen zwei PE-Sternen gewonnen und mit Daten aus unseren Molekur Dynamik Simulationen verglichen. Als Ergebnis beobachten wir ein nichtlineares, extrem weiches Abstossungspotential zwischen den Sternen, hauptsaechlich verursacht durch die Gegenionenentropie. Diese Voraussage stimmt sehr gut ueberein mit unseren Simulationsdaten, und zwar fuer eine weite Auswahl von Parameterkombinationen, wobei die Betrachtung eines salzhaltigen Systems eingeschlossen ist. Zudem geben wir einen aus zwei Anteilen bestehenden analytischen Ausdruck fuer das effektive Paarpotential zwischen zwei PE-Sternen an: ein extrem weiches Potenzgesetz fuer kleine Abstaende, und ein Yukawa-Abfall fuer Abstaende jenseits der Ueberlappung der Sterne. Die Abstossung ist zwar auf absoluter Skala groesser gegenueber neutralen Sternen, sie faellt jedoch ``weicher'' ab. Im Falle der Sternpolymer- Kolloid Mischung berechnen wir zunaechst die mittlere Kraft, die ein Stern in der Naehe einer harten Wand erfaehrt. Anschliessend erweitern wir das Modell auf ein Sternpolymer an einem sphaerischen Kolloidteilchen. In beiden Faellen ist das Ergebnis fuer die Paarwechselwirkung aenhlich der der Wechselwirkung zweier Sternpolymere kleiner Armzahl: ein ultra-weiches logarithmisches Wechselwirkungspotential fuer kleine Abstaende, und ein Gauss'scher Abfall jenseits der Ueberlappung. In beiden in dieser Arbeit vorgestellten Faellen, sowohl fuer Polyelektrolytsterne, als auch fuer die Sternpolymer-Kolloid-Mischung, erhalten wir eine sehr gute Uebereinstimmung zwischen Theorie und Simulation. Wir eroeffnen mit der Angabe eines analytischen Ausdrucks fuer die effektive Wechselwirkung die Moeglichkeit fuer kuenftige Untersuchungen, wie beispielsweise das Studium des Phasenverhaltens oder der strukturellen Eigenschaften dieser Makromolekuele. We examine the conformations and effective interaction potentials for two classes of star-branched polymeric materials. The work consists essentially of two parts: the investigation of the interaction potential between two polyelectrolyte stars (PE-stars), and between an uncharged star polymer and a hard colloidal particle of varying curvature. While in the latter case we can take use of wide knowledge of pure star polymers in terms of their conformations, in the case of PE-stars we have to develop a convenient theoretical model to study conformational properties of an isolated PE-star. We observe a strong ``trapping''-effect of the inhomogeneously distributed counterions within the PE-star, as well as significant counterion condensation along the chains, which are almost fully stretched. We use these one-star results, also confirmed by monomer-resolved Molecular Dynamics computer simulations with explicit consideration of counterions, for an extension of the theory to the two-star case. Based on variational free energy calculations we compute, in addition to conformational properties, the effective interaction potential between two PE-stars. In this context, we have to account for the strongly inhomogeneous charge distribution of PE-stars, and the possibility of counterion condensation. As a result, we obtain a non-linear ultra-soft repulsion between two PE-stars, induced mainly by the entropic contribution of the counterions. We compare these theoretical results with data obtained from Molecular Dynamics simulations of two stars for a wide range of parameter combinations, including the addition of salt. We also propose an analytical expression for the effective pair potential between two PE-stars for all distances and physical parameters: a combination of a power-law repulsion at close separations and a Yukawa decay at larger distances. In the case of star-polymer-colloid mixture, we start with a consideration of a star polymer at a hard wall and expand the model to that of a star polymer at a spherical colloid, considering a wide range of size ratios between the two. The mean force acting on the star has been compared with results from Molecular Dynamics simulations. As in pure star polymer solutions for low arm numbers, we obtain again two parts for the effective interaction between a star and a wall or a sphere: a logarithmic repulsion at close separations, and a Gaussian decay at distances beyond overlap. In both cases, for PE-stars as well as for a star-polymer-colloid mixture, we obtain very good agreement between theory and simulation, enabling future work on the systems considered, concerning the structural and phase properties of many-body systems consisting of such macromolecules.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	24.05.2002
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	24.05.2002
Datum der Promotion:	24.05.2002