Dokument:
Coarse-graining Dendritic Macromolecules:
from Conformations to Phase Behaviour
| Titel: | Coarse-graining Dendritic Macromolecules: from Conformations to Phase Behaviour | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3137 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20050629-001137-3 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Goetze, Ingo [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Likos, Christos N. [Gutachter] Prof. Dr. Egger, Reinhold [Gutachter] Prof. Dr. Gompper, Gerhard [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Dendrimere, Simulationen, Effektive Wechselwirkungdendrimers, simulations, effective interactions | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Verhalten dendritischer Makromolekuele auf verschiedenen Ebenen der Beschreibung -- von den Konformationen isolierter Dendrimere bis hin zum makroskopischen Phasenverhalten von Dendrimermischungen, wobei Laengenskalen von Nanometern bis Zentimeter ueberbrueckt werden. Wir beginnen auf der Ebene der Monomere und fuehren ein sehr einfaches vergroebertes Modell ein. Fuer dieses bestimmen wir mit Hilfe von monomeraufgeloesten Monte-Carlo-Simulationen die radiale Segmentdichteverteilung, die aufgrund der Rueckfaltung der Endmonomere ein Maximum im Zentrum des Molekuels aufweist, sowie die Formfaktoren isolierter Dendrimere verschiedener Generationen und Flexibilitaet. Ein Vergleich mit einem komplexeren, zur Beschreibung von Dendrimeren haeufig verwendeten Modell zeigt deutlich, dass eine Unempfindlichkeit der Ergebnisse gegenueber den Details des verwendeten Modells besteht. Zudem wird die Gueltigkeit des einfachen Modells durch Vergleich mit experimentellen Streudaten bekraeftigt. Als naechstes bestimmen wir mittels monomeraufgeloester Simulationen die effektive Wechselwirkung zwischen den Schwerpunkten zweier Dendrimere. Wir erhalten gaussfoermige Potentiale, deren Staerke und Reichweite durch die Wahl der Generationszahl und der Flexibilitaet des dendritischen Grundgeruests eingestellt werden kann. Auf Basis der Dichteprofile einzelner Dendrimere untermauern wir unsere Ergebnisse durch eine Dichtefunktionaltheorie, bei der die Bindungen der Monomere durch ein externes Potential ersetzt werden, welches die Monomere zusammenhaelt. Die Einfachheit des eingefuehrten Modells ermoeglicht monomeraufgeloeste Simulationen grosser Systeme, die aus mehreren Dendrimeren bestehen. Zugleich verwenden wir die zuvor berechneten Potentiale in effektiven Simulationen; dabei werden die Dendrimere als Punktteilchen aufgefasst, die vermittels der effektiven Potentiale miteinander wechselwirken. Durch Vergleich beider Methoden laesst sich die bei der Bestimmung von Strukturfaktoren aus experimentellen Streudaten haeufig angewandte Faktorisierungsnaeherung ueberpruefen, wobei sich herausstellt, dass eine unkritische Anwendung derselben bei hohen Dichten zu fehlerhaften Resultaten fuehrt. Des Weiteren untersuchen wir die Gueltigkeit der Paarpotentialnaeherung, mit dem Ergebnis, dass der Einfluss der Vielkoerperkraefte gering ist, und mit zunehmender Flexibilitaet der Dendrimere abnimmt. Schliesslich sind wir durch die Verwendung effektiver Wechselwirkungen in der Lage, das Verhalten zweikomponentiger Dendrimermischungen mittels Dichtefunktionaltheorie zu untersuchen. Zu diesem Zweck verwenden wir Gauss'sche Potentiale aus monomeraufgeloesten Simulationen von Dendrimeren verschiedener Generationen und Flexibilitaet. Abhaengig von der spezifischen Dendrimerarchitektur tritt dabei makroskopische Entmischung oder Mikrophasenseparation auf, und wir beobachten die Bildung von Mustern in begrenzten Systemen. Wir ergaenzen unsere Untersuchungen durch effektive Simulationen, wobei gute Uebereinstimmung mit der Theorie besteht.In this thesis we examine the behaviour of dendritic macromolecules at various levels of description, ranging from the conformations of isolated dendrimers to the macroscopic phase behaviour of dendrimer mixtures and bridging thereby the length scales from nanometer to centimetres. Starting at the monomer level, we introduce a very simple coarse-grained model, termed `bead-thread' model, and analyse, by employing monomer-resolved Monte Carlo simulations, the radial monomer density distributions and the form factors of isolated dendrimers for various generation numbers and flexibility. Here, we observe dense-core density profiles due to backfolding of the end monomers. By comparing the results to those of a more complex, well-established model, we find a clear insensitivity to model details. Moreover, the validity of this simple model is confirmed by comparison to the form factor from experimental scattering data. We then proceed to determine, by means of simulations that employ the bead-thread model, the effective interaction potential between the centres of mass of two dendrimers. The resulting potentials can be cast in a Gaussian form, whose strength and range can be tuned by variation of the generation number and the flexibility of the spacers. Based on the isolated dendrimer density profiles, the simulational results are corroborated by density functional theory, in which the connectivity of the monomers is approximated by an external confining potential holding the monomer beads together. The simplicity of the bead-thread model allows monomer-resolved simulation of large systems containing many dendrimers. Concomitantly, we perform `effective simulations' considering the dendrimers as point particles interacting by means of the previously calculated effective interaction potentials. Comparison of both approaches enables a test of the so-called factorisation approximation, which is widely used for derivation of the structure factor from experimental scattering data. Here, we find that for high densities, uncritical application of this approximation leads to incorrect results. Furthermore, we test the validity of the pair potential approximation, where it turns out that the effects of many-body forces are small and they become weaker as the dendrimer flexibility increases. Finally, employing effective interactions enables us to investigate the behaviour of two-component dendrimer mixtures by means of an accurate density functional approach. To this end, we use the Gaussian potentials obtained from monomer-resolved simulations for dendrimers of different generation number and flexibility. Depending on the dendrimers' architecture, we find either macroscopic demixing or micro-phase separation and pattern formation under confinement. We supplement our study with simulations performed employing the effective potentials, finding good agreement with theory. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 29.06.2005 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.02.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.06.2005 | |||||||
| Datum der Promotion: | 27.06.2005 |
