Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Estudio por simulación del flujo confinado por cepillos poliméricos semi-flexibles |
| Título alternativo: | A Simulation study of flow confined between semiflexible polymer brushes |
| Autor: | Speyer, Kevin |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | CONICET - Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Centro Atómico Constituyentes. Departamento de Física de la Materia Condensada
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| Publicación en la Web: | 2022-03-29 |
| Fecha de defensa: | 2019-10-30 |
| Fecha en portada: | 2019 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Director: | Pastorino, Claudio |
| Consejero: | Ferrado, Marta |
| Jurado: | Pickholz, Mónica Andrea; Elola, María Dolores; Tagliazucchi, Mario Eugenio |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | NANOFLUIDICA; CEPILLOS POLIMERICOS; DINAMICA MOLECULARNANOFLUIDICS; POLYMER BRUSHES; MOLECULAR DYNAMICS |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6713_Speyer |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6713_Speyer.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6713_Speyer |
| Ubicación: | Dep.FIS 006713 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Speyer, Kevin. (2019). Estudio por simulación del flujo confinado por cepillos poliméricos semi-flexibles. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6713_Speyer |
Resumen:
En este trabajo de tesis se estudió un sistema compuesto por un fluido confinado en un canal blando, mediante simulaciones de dinámica molecular. El medio confinante está formado por cadenas poliméricas semi-flexibles, fijadas a la a pared del canal por un monómero terminal. Se genera de esta forma una monocapa de polímeros fijados a la pared denominada cepillo polimérico. La rigidez local de flexión de los polímeros es uno de los elementos originales principales de esta tesis. Esta favorece configuraciones de cadena más estiradas, oponiéndose a las configuraciones de forma globular, favorecidas por la maximización de entropía configuracional, para cadenas totalmente flexibles. El sistema es de interés en aplicaciones de microfluídica, nano-estructuración de superficies y en sistemas biológicos. Se utilizaron modelos de grano grueso que describen con potenciales sencillos las características principales de la cadena polimérica y que permiten simular tiempos muchos más largos que los de relajación del sistema. Se implementó un potencial de flexión armónico en los ángulos formados entre uniones de monómeros sucesivos, para estudiar los sistemas en función de la rigidez del cepillo polimérico. Se utilizó el termostato de dissipative particle dynamics para realizar simulaciones en el ensamble canónico (N, V, T) o a temperatura constante, en simulaciones fuera del equilibrio. En gran parte del trabajo de tesis se utilizó una interacción hidrofóbica entre el solvente que llena el canal y los cepillos poliméricos, de manera que el líquido no moja el interior del cepillo. El trabajo está dividido en tres partes, según las características del sistema estudiado. Primero se investigó el canal lleno por un líquido simple en equilibrio y moviendo las paredes a velocidad constante para inducir un flujo tipo Couette, es decir, con un perfil de velocidades lineal. Se estudió la estructura y la dinámica del medio confinante, utilizando diferentes valores de rigidez para los polímeros. También se varió la cantidad de polímeros fijados a la pared del canal por unidad de área y la velocidad de las paredes. Se caracterizó la interfase líquido-cepillo y se analizó la penetración del fluido en los intersticios del medio confinante. Se cuantificó el deslizamiento del líquido sobre el medio confinante, observando siempre un resbalamiento (slip) apreciable. Adicionalmente, se estudió cómo se modifica la estructura y la dinámica del cepillo polimérico ante la presencia del flujo. En otro estudio se analizó el flujo multifásico en un nano-canal, recubierto por cepillos poliméricos. En este caso, el fluido forma una gota en el canal, que coexiste con su vapor en equilibrio termodinámico. Se hizo énfasis en la influencia de la rigidez de las cadenas en las propiedades de fricción y transporte del líquido. Se halló una estrecha y compleja relación entre la dinámica interna del cepillo polimérico y el flujo sobre el mismo. También se estudió la deformación del cepillo en función de la constante de rigidez local de los polímeros, obteniendo una respuesta no trivial. Por último, se estudió el comportamiento del sistema cuando el ancho del canal es menor al doble de la longitud de contorno de los polímeros anclados en su interior. De esta manera, se permite la interacción directa entre cadenas ancladas a paredes opuestas, generando estructuras que atraviesan el ancho del canal. Imponiendo una fuerza externa, se investigó el flujo del líquido que llena el canal en función de la intensidad de la fuerza impuesta. Se encontró una respuesta no lineal muy rica, debido al rompimiento de los enlaces entre polímeros de paredes opuestas y la desobstrucción del canal. Luego, se estudió esta respuesta en función de parámetros físicos relevantes: la rigidez de las cadenas, la calidad del solvente y la cantidad de cadenas por unidad de área. En el trabajo de tesis doctoral se estudian en profundidad los mecanismos de interacción entre un solvente y los cepillos poliméricos que lo confinan. Se utiliza la detallada información provista por las simulaciones numéricas para desentrañar el complejo acoplamiento entre el medio confinante blando y el solvente, y comprender la reología del sistema y las propiedades de flujo.
Abstract:
A system composed by a fluid confined in a soft matter channel is studied, by means of molecular dynamics simulations. Semiflexible polymer chains tethered by one end to the channel form a polymer brush that confines the solvent inside the channel. The inclusion of the local rigidity of the polymers is one of the key original elements in this thesis. Fully flexible polymers tend to adopt globular configurations, due to entropic effects, while semiflexible polymers tend to adopt stretched configurations, due to the bending rigidity. The influence of the bending rigidity in the flow across the channel is thoroughly studied in this work. This system is of great interest in microfludics, nanopatterning of surfaces, and in biological systems. Coarse-grain models were used to describe the main features of the polymers, which allows to simulate times much larger than the relaxation times of the system. A harmonic bending potential between consecutive beads was implemented to study the system as a function of the stiffness of the grafted polymers. The Dissipative Particle Dynamycs thermostat was used to perform simulations in the canonical ensemble (N, V, T) or at constant temperature, in non-equilibrium simulations. For a large part of this work, a hydrophobic interaction between polymer brush and solvent was used, such that the liquid does not wet the interior of the brush. This work is divided in three parts, according to the characteristics of the system studied. First, a channel filled by a simple liquid is studied in equilibrium and under linear shear conditions (Couette flow). The structure and dynamics of the confining matter was investigated, exploring different values for the bending constant of the polymers. The number of tethered chains per unit area and the shear rate was also varied in this system. A detailed study of the brush-liquid interface was performed, and the penetration of the liquid in the brush was analyzed. The slip of the solvent over the polymer brush was quantified, observing a significant slippage. Additionally, the structure and the dynamics of the grafted polymer chains are studied for a wide rage of shear rates. A second studied system is composed of multiphasic flow in a nanochannel, coated by semiflexible polymer brushes. In this case, the fluid is a liquid droplet in coexistence with its vapor in thermodynamic equilibrium. The focus of this study was put in the friction mechanism and in the flow properties of the system. A close and complex connection between the internal brush dynamics and the flow found. Also, the deformation of the polymer brush was studied as a function of the bending rigidity, observing a non-trivial response. Lastly, the behavior of the system was studied for a channel whose width is less than two times the contour length of the polymers grafted to the inside walls. This allows the chains tethered to opposing walls to interact among each other, forming stable structures across the channel. An external force is imposed over all particles in the system, inducing a net flow of liquid that fills the channel. A non-linear behavior of the flow as a function of the external force was observed, due to the polymer structures breaking apart and unclogging the channel. The response of the system is studied as a function of the relevant parameters: the polymer stiffness, the quality of the solvent and the grafting density. The mechanisms of interaction between the solvent and the confining polymer brush are deeply studied in this doctoral thesis. The detailed information provided by the numerical simulations is utilized to unravel the complex coupling between the confining soft matter and the solvent, and understand the rheology of the system.
Citación:
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Speyer, Kevin. (2019). Estudio por simulación del flujo confinado por cepillos poliméricos semi-flexibles. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6713_Speyer
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Speyer, Kevin. "Estudio por simulación del flujo confinado por cepillos poliméricos semi-flexibles". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2019.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6713_Speyer
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