Badanie struktury kopolimerów blokowych metodami Monte Carlo

Głównym celem opisanych tu badań było poszerzenie stanu wiedzy na temat wpływu architektury łańcucha kopolimeru na jego właściwości strukturalne. Niniejsza rozprawa przedstawia wyniki symulacji przeprowadzonych dla trzech różnych gruboziarnistych modeli z użyciem próbkowania metodą Monte Carlo. W każdym przypadku podjęty został inny problem badawczy, jednak w każdym z opisanych niżej przypadków skupialiśmy się na właściwościach strukturalnych badanych łańcuchów. Pierwsze z opisanych badań dotyczyło badania progu perkolacji w modelu reprezentującym cienką polimerową warstwę. Celem przeprowadzonych symulacji było stwierdzenie wpływu architektury łańcucha kopolimeru dwuskładnikowego, nie tylko na próg perkolacji, ale i na jego parametry strukturalne (takie jak wielkość). Zbadane zostały architektury dwu-blokowe, trój-blokowe oraz losowe, stanowiące szeroki przekrój potencjalnych struktur rzeczywistych łańcuchów. W tym celu użyto dwuwymiarowego modelu sieciowego i algorytmu ruchów kooperatywnych co pozwoliło na symulację rozpuszczalnika i wysokich stężeń polimeru W kolejnych serii badań skupiono się na strukturze cyklicznych homopolimerów i kopolimerów w różnych warunkach związanych z jakością rozpuszczalnika. Badania nad przejściami kłębek-globula (które zachodzą wraz z pogarszaniem się jakości rozpuszczalnika) mogą stanowić podstawę do dalszych rozważań związanych z saamorganizacją w układach polimerowych. W tym przypadku zastosowaliśmy trójwymiarowy model sieciowy i kopolimery złożone z dwóch rodzajów segmentów podzielonych na różne liczby bloków. Trzeci postawiony przez nas problem badawczy był najszerszy i dotyczył ponownie przejść kłębek-globula, jednak w tym przypadku porównywaliśmy nie tylko łańcuchy dwuskładnikowych kopolimerów o różnej liczbie bloków, ale też jednocześnie architektury liniowe i cykliczne. Dodatkowo badaliśmy też odwracalną adsorpcję łańcuchów do powierzchni i jej wpływ na uzyskaną strukturę. W tym celu zastosowaliśmy trójwymiarowy model w przestrzeni ciągłej, a same symulacje pozwalały na obserwację zmian ze względu na liczne parametry takie jak siła przyciągania do powierzchni, liczba bloków na które podzielony został kopolimer, czy jego architektura (liniowa, cykliczna). Przedstawione badania pozwalają na formułowanie zależności ogólnych dla właściwości łańcuchów kopolimerów. Zbadaliśmy liczne architektury łańcuchów, dzieląc je nie tylko na liniowe i cykliczne, ale też na architektury wewnętrzne, rozważając kwestie takie jak liczba bloków, ułożenie bloków, czy wielkość bloków w dwuskładnikowych łańcuchach blokowych. Przy pomocy różnych modeli byliśmy też w stanie badać opisane wyżej zagadnienia w kontekście istotnych problemów badawczych, takich jak adsorpcja. Opisane wyniki mogą stanowić podstawę do dalszych badań, a stworzone oprogramowanie może zostać wykorzystane przez innych naukowców w badaniach nad polimerami przy użyciu metody Montre Carlo.

The main goal of research presented in this thesis was to extend the state of knowledge of the influence of architecture of co-polymer systems on their structural properties. We employed three distinct coarse-grained Monte Carlo models to investigate three different distinct polymer systems all the research was following the main theme of assessing the influence of the architecture of polymers on their behavior. For each study custom software was developed in commonly used programming languages which can be freely used by other researches for their studies. The first investigated system was a 2D model representing a thin film polymer system. The main goal of this study was to determine the influence of the polymer architecture on the percolation threshold as it can be used in material design and is a predictor of properties such as conductivity. The only form of interaction potential present was the excluded volume, the system was under good solvent conditions - as there was no difference in the interactions between A and B segments the simulations were ran with no assumption of the segment sequence which was imposed afterwards. The second described study concerned the structure of cyclic homopolymer and multiblock copolymers (rings) at various solvent qualities - temperatures. The effect of internal architecture of self-assembly of polymer systems is a complex and important field of research the idealized single chain model we utilized was intended as ground work for further research. The main focus of the study was to determine the characteristics of coil-globule transition and the structure of globule formed in low temperatures. The model used was again based on a lattice however this time we used a square three-dimensional lattice instead.Simulated annealing, replica exchange and a combination of local and non-local Monte Carlo moves analogous to Verdier-Stockmayer moves were used to sample the conformational space of the chain. The third study was a shift from lattice based model to a continuous one. Again we were interested in the coil-globule transition, however this time an attractive model was placed in the simulation box. The inclusion of the wall and removing the lattice constraints meant a more realistic model was employed which had significant technical implications but in terms of the goals of the study we were still mainly interested in the influence of the architecture (linear-cyclic, block copolymer-homopolymer). The study determined the effect of multiple variables - the main ones considered were the architecture of the chain and the strength of the attractive wall on the coil-globule transition and the structure of the resulting globule. In summary the research presented in this thesis broadens the understanding of the behavior and structural properties of copolymer chains of various internal architectures. Results described here can also serve as a basis for further research and the software that was developed to enable this study can be used by other scientists for their Monte Carlo studies of polymer systems.