Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Synthese von amphiphilen Bürstenpolymeren mit Kern-Schale-Architektur und Untersuchungen zur Verkapselung von hydrophilen Modellsubstanzen

Die dieser Arbeit zugrundeliegenden Nanopartikel wurden mittels der Makromonomer-Strategie aus polymerisierbaren Polystyrol-b-Poly(2-vinylpyridin) Oligomeren dargestellt. Die Bürstenpolymere besitzen eine polare PS-Schale und einen polaren Kern (P2VP), dessen Polarität durch Quaternisierung deutlich erhöht werden kann. Die Bürstenpolymere weisen bei Molmassen um 400 - 800 kg/mol einen Teilchendurchmesser von ca. 15 - 20 nm auf. Die Nanopartikel eignen sich dazu, hydrophile Farbstoffe in unpolaren Lösungsmitteln zu solubilisieren. Durch spektroskopische Untersuchungen wurden in Abhängigkeit der chemischen Struktur und der Bürstenpolymere Beladungsgrade von über 1 g Farbstoff pro Gramm Polymer ermittelt. Die Beladung der Nanopartikel folgt hierbei einer nichttrivialen Kinetik, was möglicherweise durch eine wasserinduzierte Überstrukturbildung während der Beladung bedingt ist. Mittels isothermer Titrationskalorimetrie konnten die Wechselwirkungen zwischen polymeren Substrat und niedermolekularen Liganden genauer charakterisiert werden. Teilweise werden hierbei zweistufige Titrationsverläufe und "überstöchiometrische" Beladung der Bürstenpolymere beobachtet. Den Hauptbeitrag zur Wechselwirkung liefert hierbei die exotherme Wechselwirkung zwischen basischen Polymer und saurem Farbstoff. Die hohe Farbstoffbeladung führt zur deutlichen Vergrößerung der einzelnen Nanopartikel, was sowohl in Lösung durch Lichtstreu-Techniken als auch auf Oberflächen mit Hilfe des AFM zu beobachten ist. Durch Untersuchungen mit der analytischen Ultrazentrifuge konnte nachgewiesen werden, dass sich der eingelagerte Farbstoff in einem Polaritäts-abhängigen Gleichgewicht mit der Umgebung steht, er somit auch wieder aus den Nanopartikeln freigesetzt werden kann. Darüberhinaus wurden im Rahmen der Arbeit erste Erfolge bei der Synthese von wasserlöslichen Nanopartikeln mit Poly(2-vinylpyridin)-Kern erzielt. Als hierfür geeignet stellte sich eine Synthesestrategie heraus, bei der zunächst ein Bürstenpolymer mit P2VP-Seitenketten dargestellt und dieses anschließend mit geeignet funktionalisierten Polyethylenoxid-Ketten zum Kern-Schale Teilchen umgesetzt wurde. Neben Untersuchungen zum Mizellisierungsverhalten von PEO-b-P2VP Makromonomeren wurden deren Aggregate in Wasser hinsichtlich ihrer Zelltoxizität durch in-vitro Experimente an C26-Mäusekarzinom-Zellen charakterisiert. Die extrem geringe Toxizität macht das PEO-P2VP System zu einem potentiellen Kandidaten für drug-delivery Anwendungen. Besonders die pH-abhängige Löslichkeitsänderung des Poly(2-vinylpyridin) erscheint hierbei besonders interessant.

Synthese und Charakterisierung von polymerbasierten Trägersystemen für biomedizinische Anwendungen

Polymer-Therapeutika spielen im Bereich der Arzneimittelforschung eine immerrngrößere Rolle. Benötigt werden dafür Trägersysteme für die gewünschten Wirkstoffe.rnDurch den Einsatz von wasserlöslichen biokompatiblen Polymeren werden mehrerernentscheidende Vorteile erhalten. Beispielsweise verlängert sich durch die höherernMolmasse die Zirkulationszeit im Blutkreislauf. Zudem ermöglicht die Anbindung vonrnTargetmolekülen den gezielten Wirkstofftransport zum Zielort.rnDie vorliegende Arbeit behandelt die Synthese und Charakterisierung von polymerbasiertenrnTrägersystemen für biomedizinische Anwendungen.rnAls erstes Teilprojekt wurde die Synthese einer Polymerbürste gewählt, derenrnSeitenketten aus Polymer-Oligonucleotid (ODN)-Konjugaten bestehen. Als Polymerrnwurde Poly(N-Isopropylacrylamid) gewählt, welches per RAFT-Polymerisationrnsynthetisiert wurde. Die Bürste sollte mittels „Grafting Through“-Technik hergestelltrnwerden. Dafür wurden zuerst das Polymer-Oligonucleotid-Konjugat und darausrnanschließend das entsprechende Makromonomer gebildet. Die Synthese undrnCharakterisierung des Konjugats sowie des Makromonomers wurden erfolgreichrndurchgeführt, jedoch war die Aufreinigung des Makromonomers nicht möglich.rnIm zweiten Teilprojekt war das Ziel Polyion-Komplex-Mizellen als Trägersystemernherzustellen. Benötigt wurden dazu ein Polymer bestehend aus einem kationischenrnund einem biokompatiblen Block sowie eine ODN-Sequenz zur Komplexierung desrnkationischen Blocks. Im ersten Ansatz wurde als Polymerisationsmethode die RAFTPolymerisationrnund Mono-N-boc-1,3-diaminopropanmethylmethacrylat als kationischesrnMonomer sowie α- bzw. ε-Lysinmethylmethacrylat als zwitterionischesrnMonomer verwendet. Jedoch war die Herstellung der Blockcopolymere nicht möglich.rnIm zweiten Ansatz wurde deshalb Poly-2-oxazolin als biokompatibler Block gewählt.rnMit Poly-L-lysin als kationischen Block und CpG war eine Bildung und Charakterisierungrnvon Polyion-Komplex-Mizellen in 15mM PBS-Puffer möglich.rnIm dritten Teilprojekt wurden biomedizinisch relevante Verbindungen mittelsrnkupferfreier Clickchemie an eine ELP-Bürste gebunden und charakterisiert.

Orientational behaviour of thermotropic and lyotropic liquid crystal polymer systems under shear flow

A comparison is made of the development of global orientation during shearing of lyotropic solutions of hydroxypropylcellulose with that observed for the thermotropic phase of hydroxypropylcellulose. At shear rates the behaviour of the two systems is similar, both during steady-state shear, and in terms of relaxation following cessation of shear flow. At low shear rates, the levels of orientation observed for the thermotropic system are substantially greater than observed for the lyotropic solutions. The relationship of these differences to variations in molecular parameters, viscous stress and to director tumbling is discussed.

A novel X-ray rheometer for in situ studies of polymer melts and solutions during shear flow

A novel X-ray rheometer based on a parallel plate geometry is described. This system allows time-resolved X-ray scattering intensity data to be obtained from polymeric samples subjected to shear flow. The range of quantitative structural parameters, such as molecular orientation and inter chain correlations, which can be obtained from the data is highlighted. Examples of the utility of X-ray scattering in examining optically opaque samples and the extraction of 〈P2〉 and 〈P4〉 orientation parameters are given using anisotropic hydroxypropylcellulose solutions as the sample.

Shear banding in molecular dynamics of polymer melts

In order to establish constitutive equations for a viscoelastic fluid uniform shear flow is usually required. However, in the last 10 years S. Q. Wang and co-workers have demonstrated that some entangled polymers do not flow with the uniform shear rate as usually assumed, but instead choose to separate into fast and slow flowing regions. This phenomenon, known as shear banding, causes flow instabilities and in principle invalidates all rheological measurements when it occurs. In this Letter we report the first observation of shear banding in molecular dynamics simulations of entangled polymer melts. We show that our observations are in a very good agreement with the phenomenology developed by Fielding and Olmsted. Our findings provide a simple way of validating the empirical macroscopic phenomenology of shear banding. © 2012 American Physical Society

Polymer brushes under shear: molecular dynamics simulations compared to experiments

Surfaces coated with polymer brushes in a good solvent are known to exhibit excellent tribological properties. We have performed coarse-grained equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics (MD) simulations to investigate dextran polymer brushes in an aqueous environment in molecular detail. In a first step, we determined simulation parameters and units by matching experimental results for a single dextran chain. Analyzing this model when applied to a multichain system, density profiles of end-tethered polymer brushes obtained from equilibrium MD simulations compare very well with expectations based on self-consistent field theory. Simulation results were further validated against and correlated with available experimental results. The simulated compression curves (normal force as a function of surface separation) compare successfully with results obtained with a surface forces apparatus. Shear stress (friction) obtained via nonequilibrium MD is contrasted with nanoscale friction studies employing colloidal-probe lateral force microscopy. We find good agreement in the hydrodynamic regime and explain the observed leveling-off of the friction forces in the boundary regime by means of an effective polymer–wall attraction.

Simulating startup shear of entangled polymer melts

Start-up shear rheology is a standard experiment used for characterizing polymer flow, and to test various models of polymer dynamics. A rich phenomenology is developed for behavior of entangled monodisperse linear polymers in such tests, documenting shear stress overshoots as a function of shear rates and molecular weights. A tube theory does a reasonable qualitative job at describing these phenomena, although it involves several drastic approximations and the agreement can be fortuitous. Recently, Lu and coworkers published several papers [e.g. Lu {\it et al.} {\it ACS Macro Lett}. 2014, 3, 569-573] reporting results from molecular dynamics simulations of linear entangled polymers, which contradict both theory and experiment. Based on these observations, they made very serious conclusions about the tube theory, which seem to be premature. In this letter, we repeat simulations of Lu {\it et al.} and systematically show that neither their simulation results, nor their comparison with theory are confirmed.

Polymer brush modified electrode with switchable selectivity triggered by pH changes enhanced by gold nanoparticles

In this work, a sensor was built up with smart material based on polymer brush and gold nanoparticles. The modified electrode functionalized with polyacrylic acid (PAA) tethered to indium tin oxide (ITO) and covered with gold nanoparticle (ITO/PAA/Au) demonstrated switchable interfacial properties discriminating different pHs. The switchable electrochemical and plasmonic process was characterized by cyclic voltammetry (CV), electrochemistry impedance spectroscopy (EIS), and localized surface plasmon resonance (LSPR).

Role of Branching on the Structure of Polymer Brushes Formed from Comb Copolymers

The distinguishing feature of a polymer brush at equilibrium is the stretched configuration of the chains that results from tethering the polymer chains by one end at the solid-fluid interface. The stretched configuration of the chains and the crowded nature of the interfacial layer is the origin of many of the useful properties of polymer brushes: these layers resist compression and aggregation, effectively dissipate shear stresses, and respond reversibly to changes in their solution environment.

Stress & structure of thin polymer brush films

Polymer brushes have unique properties with a large variety of possible applications ranging from responsive coatings and drug delivery to lubrication and sensing. For further development a detailed understanding of the properties is needed. Established characterization methods, however, only supply information of the surface. Experimental data about the inner “bulk” structure of polymer brushes is still missing.rnScattering methods under grazing incidence supply structural information of surfaces as well as structures beneath it. Nanomechanical cantilevers supply stress data, which is giving information about the forces acting inside the polymer brush film. In this thesis these two techniques are further developed and used to deepen the understanding of polymer brushes. rnThe experimental work is divided into four chapters. Chapter 2 deals with the preparation of polymer brushes on top of nanomechanical cantilever sensors as well as large area sample by using a “grafting-to” technique. The further development of nanomechanical cantilever readout is subject of chapter 3. In order to simplify cantilever sensing, a method is investigated which allows one to perform multiple bending experiments on top of a single cantilever. To do so, a way to correlate different curvatures is introduced as well as a way to conveniently locate differently coated segments. In chapter 4 the change in structure upon solvent treatment of mixed polymer brushes is investigated by using scattering methods and nanomechanical cantilevers amongst others. This allows one to explain the domain memory effect, which is typically found in such systems. Chapter 5 describes the implementation of a phase shifting interferometer - used for readout of nanomechanical cantilevers - into the µ-focused scattering beamline BW4, allowing simultaneous measurements of stress and structure information. The last experimental chapter 6 deals with the roughness correlation in polymer brushes and its dependence on the chain tethered density.rnIn summary, the thesis deals with utilization of new experimental techniques for the investigation of polymer brushes and further development of the techniques themselves.rn

Solid-State Compatibilization of Immiscible Polymer Blends: Cryogenic Milling and Solid-State Shear Pulverization

The blending of common polymers allows for the rapid and facile synthesis of new materials with highly tunable properties at a fraction of the costs of new monomer development and synthesis. Most blends of polymers, however, are completely immiscible and separate into distinct phases with minimal phase interaction, severelydegrading the performance of the material. Cross-phase interactions and property enhancement can be achieved with these blends through reactive processing or compatibilizer addition. A new class of blend compatibilization relies on the mechanochemical reactions between polymer chains via solid-state, high energy processing. Two contrasting mechanochemical processing techniques are explored in this thesis: cryogenic milling and solid-state shear pulverization (SSSP). Cryogenic milling is a batch process where a milling rod rapidly impacts the blend sample while submerged within a bath of liquid nitrogen. In contrast, SSSP is a continuous process where blend components are subjected to high shear and compressive forces while progressing down a chilled twin-screw barrel. In the cryogenic milling study, through the application of a synthesized labeledpolymer, in situ formation of copolymers was observed for the first time. The microstructures of polystyrene/high-density polyethylene (PS/HDPE) blends fabricated via cryomilling followed by intimate melt-state mixing and static annealing were found to be morphologically stable over time. PS/HDPE blends fabricated via SSSP also showed compatibilization by way of ideal blend morphology through growth mechanisms with slightly different behavior compared to the cryomilled blends. The new Bucknell University SSSP instrument was carefully analyzed and optimized to produce compatibilized polymer blends through a full-factorial experiment. Finally, blends of varying levels of compatibilization were subjected to common material tests to determine alternative means of measuring and quantifying compatibilization,

Stress relaxation behavior of PMMA/PS polymer blends

In this work, the stress relaxation behavior of PMMA/PS blends, with or without random copolymer addition, submitted to step shear strain experiments in the linear and nonlinear regime was studied. The effect of blend composition (ranging from 10 to 30 wt.% of dispersed phase), viscosity ratio (ranging from 0.1 to 7.5), and random copolymer addition (for concentrations up to 8 wt.% with respect to the dispersed phase) was evaluated and correlated to the evolution of the morphology of the blends. All blends presented three relaxation stages: a first fast relaxation which was attributed to the relaxation of the pure phases, a second one which was characterized by the presence of a plateau, and a third fast one. The relaxation was shown to be faster for less extended and smaller droplets and to be influenced by coalescence for blends with a dispersed phase concentration larger than 20 wt.%. The relaxation of the blend was strongly influenced by the matrix viscosity. The addition of random copolymer resulted in a slower relaxation of the droplets.