Modele wieloskalowe nanokompozytów
Wypełnione nanocząsteczkami kompozyty na osnowie polimerowej zastępują w wielu branżach konwencjonalne polimery, ponieważ mogą one oferować indywidualnie opracowane funkcje. Konsorcjum rosyjskich i europejskich zespołów badawczych stworzyło oprogramowanie symulacyjne, aby przyspieszyć rozwój w ramach finansowanego przez UE projektu COMPNANOCOMP (Multiscale computational approach to the design of polymer-matrix nanocomposites). Naukowcy opracowali i zweryfikowali metodologię i oprogramowanie dla dwóch głównych kategorii systemów: miękkich kauczuków naturalnych i syntetycznych wypełnionych krzemionką (elastomerów termoplastycznych) oraz żywic termoutwardzalnych wypełnionych nanorurkami węglowymi (CNT). Aby zrozumieć skutki wzmocnienia nanokompozytów na osnowie polimerowej za pomocą cząsteczek wypełniających, zespół zintegrował trzy wzajemnie powiązane poziomy przedstawienia, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów na bazie kauczuku naturalnego wypełnionych krzemionką (stosowanych do produkcji tzw. zielonych opon). Pierwszy poziom stanowiło szczegółowe, atomistyczne przedstawienie zarówno łańcuchów polimerowych, jak i nanocząsteczek. Ich zachowanie było śledzone za pomocą dynamiki molekularnej. Skala pośrednia modelowała polimery jako łańcuchy swobodnie związane, a nanocząsteczki jako pojedyncze kule, stosując metodę Monte Carlo inspirowaną teorię pola. Najgrubszy poziom reprezentował polimer w odniesieniu do końców łańcucha, wiązania krzyżowego, splątania, adsorpcji i punktów przeszczepu stosując gruboziarnistą dynamikę Browna w połączeniu z kinetycznymi symulacjami metodą Monte Carlo. Naukowcy opracowali także metodę oceny wskaźników adsorpcji i desorpcji łańcuchów o ograniczonych końcach (za pomocą wiązań krzyżowych lub splątań) z polimeru stopionego na podłoże stałe do zastosowania w reprezentacji zgrubnej. W innym podejściu modelowano elastyczne i dyssypatywne właściwości wzmocnionych elastomerów. Porównania do danych doświadczalnych wykazały bardzo dobrą zgodność jakościową. Do symulacji silnie usieciowanych żywic epoksydowych wypełnionych jednościennymi i wielościennymi CNT zastosowano strategię wieloskalową, łączącą schematy odwzorowania/odwracalnego odwzorowania "w locie", procedurę tworzenia sieci bazującą na dynamice reaktywnych cząsteczek dyssypatywnych i w pełni atomistyczną dynamikę molekularną. Symulacje te wyjaśniły istotne właściwości systemów stosujących żywice epoksydowe z CNT oraz ich powiązania z parametrami obróbki. Dzięki symulacjom wspieranym przez doświadczalną optymalizację, zespół uzyskał macierze z nanowłókien, wykorzystując CNT w zastosowaniach lotniczych oraz krzemionkę w energetyce wiatrowej. Zespół ulepszył parametry kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym. Powstałe w projekcie COMPNANOCOMP modele wieloskalowe polimerów termoutwardzalnych i termoplastycznych wypełnionych nanocząsteczkami powinny przyspieszyć rozwój dostosowanych nanokompozytów o doskonałych właściwościach, przeznaczonych dla wielu branż, w tym transportowej i energetycznej. Warsztaty szkoleniowe i wymiany badawcze organizowane w celu przekazania studentom i naukowcom wiedzy na temat oprogramowania zwiększą popyt rynkowy i zmaksymalizują oddziaływanie.
Słowa kluczowe
Wieloskalowe, nanokompozyt, polimer, symulacja, wypełniony nanocząsteczkami, elastomer, CNT
