Modeling of polymer-metal hybrid materials

Abstract

Hybrid materials, where multiple substances are combined, belong to an interesting new class of materials. These materials can be optimized for specific applications and can provide a more appropriate balance between cost, weight, strength, or some other properties. Particularly interesting materials from a practical as well as a scientific perspective are the materials that combine a polymer with a metal. To understand these materials we must understand how the various substances interact with each other. In this thesis I have studied the interaction between a polymer and a metal surface at the microscopic level. I have used density-functional theory (DFT) and coarse-grained molecular dynamics to study the binding between the polymer and the metal surface. In order to provide a more realistic description for the binding of these substances I have taken into account van der Waals (vdW) interactions within DFT. My results suggest that the polymer-metal binding can be strongly affected by small amounts of doping at the interface, thus providing one way to tune the polymer-metal interface properties. Also, the vdW interaction plays a major role, and it is thus essential to include these effects when studying large molecules on surfaces. I have used the DFT results to parametrize interaction potentials for coarse-grained molecular-dynamics simulations, which I have used to study the hybrid material interface on a larger length and time scale. A hybrid simulation method which combines molecular dynamics and continuum dynamics in the same system, allows the study of even larger systems. The hybrid simulation method can also be used to equilibrate the polymer system faster than with traditional methods. Computer simulations offer the possibility to efficiently test the properties of various material combinations before committing to produce physical manifestations of these materials. These simulations can be used for providing e.g. effective boundary conditions such as friction coefficients that can be used for continuum simulations, or for simulating nanostructured composites where the interface effects dominate the bulk properties of the material.

Hybridmaterial är en ny klass av material där flera olika substanser kombineras. Dessa material kan optimeras för specifika tillämpningar, och kan ge en bättre balans mellan vikt, styrka, kostnad, och andra egenskaper. Speciellt intressanta hybridmaterial både ur en praktisk och en vetenskaplig synvinkel är material där man kombinerar en polymer med en metall eller metalloxid. För att förstå dessa nya material måste man förstå hur de olika substanserna växelverkar. I denna avhandling har vi studerat växelverkan mellan en polymer och en metallyta på mikroskopisk nivå. Vi har använt täthetsfunktionalteori (DFT) samt grovkorning molekyldynamik för att studera bindningen mellan en polymerkedja och en metallyta. För att tillhandahålla en mer realistisk beskrivning för bindningen av dessa substanser tar vi också hänsyn till van der Waals växelverkan inom DFT. Våra resultat tyder på att polymer-metall-bindningen starkt kan påverkas av små mängder av dopning vid gränsytan, vilket ger ett sätt att optimera polymer-metall-gränsytans egenskaper. Dessutom spelar vdW-växelverkan en viktig roll, och det är därför viktigt att inkludera dessa effekter när man studerar stora molekyler på ytor. Vi har använt våra DFT resultat till att parametrisera interaktionspotentialer för grovkorniga molekyldynamiksimuleringar, som vi använt för att studera hybridmaterial-gränssnittet över en större längd- och tidsskala. En hybrid-simuleringsmetod som kombinerar molekyldynamik och kontinuumdynamik i samma system möjliggör studier av ännu större system. Hybridmetoden kan också användas för att jämvikta polymersystemet snabbare än traditionella metoder. Datorsimuleringar ger möjlighet att effektivt testa egenskaperna hos olika materialkombinationer innan man bestämmer sig för att producera fysiska manifestationer av dessa material. Dessa simuleringar kan användas för att tillhandahålla t.ex. gränsvillkor såsom friktionskoefficienter som kan användas för kontinuumsimuleringar, eller för simulering av nanostrukturerade kompositer där gränssnittets egenskaper dominerar materialets bulkegenskaper.