Modelli multiscala dei nanocompositi
I compositi a matrice polimerica nanoriempiti stanno sostituendo i polimeri convenzionali in molti settori, perchι possono offrire funzionalità su misura. Un consorzio di gruppi di ricerca russi ed europei ha sviluppato un software di simulazione per accelerare lo sviluppo con i finanziamenti dell’UE del progetto COMPNANOCOMP (Multiscale computational approach to the design of polymer-matrix nanocomposites). Gli scienziati hanno sviluppato e validato la metodologia e il software rispetto a due principali categorie di sistemi, le gomme morbide naturali e sintetiche riempite di silice (elastomeri termoplastici) e le resine termoindurenti riempite di nanotubi di carbonio (CNT). Per comprendere gli effetti di rinforzo dei nanocompositi a matrice polimerica da parte delle particelle di riempitivo, il team ha integrato tre livelli interconnessi di rappresentazione con un’attenzione speciale rivolta ai materiali di gomma naturale con riempimento in silice, lo pneumatico verde. Il primo livello consisteva in una rappresentazione atomistica dettagliata di catene polimeriche e nanoparticelle. Loro comportamento è stato registrato mediante dinamica molecolare. La scala intermedia ha modellato tali polimeri come catene a giunzione libera e le nanoparticelle come singole sfere utilizzando simulazioni Monte Carlo ispirate alla teoria di campo. Il livello più grossolano ha rappresentato il polimero in termini di estremità della catena, reticoli, entanglement, assorbimento e punti di innesto utilizzando una dinamica browniana a grana grossa accoppiata con simulazioni cinetiche Monte Carlo. Hanno anche sviluppato un metodo per stimare i tassi di assorbimento e desorbimento delle catene con estremità vincolate (da reticoli o entanglement) da un polimero fuso su un substrato solido per uso nella rappresentazione grossolana. Un altro approccio ha modellato proprietà elastiche e dissipative degli elastomeri rinforzati. I confronti con i dati sperimentali hanno mostrato un ottimo accordo qualitativo. Una strategia multiscala, che combina schemi di mappatura/mappatura inversa on-the-fly, la procedura per la costruzione della rete basata sulla dinamica reattiva dissipativa delle particelle e la dinamica molecolare completamente atomistica, è stata utilizzata per simulare resine epossidiche altamente reticolate riempite con nanotubi di carbonio a parete singola e alveolare. Queste simulazioni hanno chiarito importanti proprietà dei sistemi nanotubi di carbonio-epossidici, nonchι la loro relazione con i parametri di elaborazione. Attraverso il lavoro di simulazione supportato dall’ottimizzazione sperimentale, il team ha prodotto matrici nanoriempite, utilizzando i nanotubi di carbonio per applicazioni aerospaziali e la silice per applicazioni nel settore dell’energia eolica. Hanno migliorato le prestazioni dei compositi rinforzati con fibra di carbonio. Il modelli multiscala di COMPNANOCOMP di polimeri termoplastici e termoinduriti nanoriempiti promettono di velocizzare lo sviluppo di nanocompositi su misura ad alte prestazioni per molti settori, tra cui energia e trasporti. Seminari di formazione e scambi di ricerca organizzati per diffondere le conoscenze sul software a studenti e ricercatori consentiranno di migliorare la comprensione e ottenere il massimo impatto.
Parole chiave
Multiscala, nanocomposito, polimero, simulazione, nanoriempito, elastomero, CNT
