非晶态聚合物中的结构、动力学与氢传输：基于分子动力学模拟的自由体积元分布与局部链段动力学相互作用分析
软凝聚态物质
2023-06-21 v2 材料科学
摘要
膜性能的一个重要指标是自由体积元（FVEs）：由聚合物链上 bulky 基团低效堆积所产生的微孔空隙。随着聚合物链不可逆地重组，FVEs 往往随时间退化。尽管人们广泛认为聚合物柔性对膜传输性质有影响，但这种影响的分子本质仍不甚明了。通过建立局部链动力学与自由体积元（FVEs）分布之间的关联，可以在非晶态聚合物膜中更有效地调控渗透物传输。在本工作中，我们采用全原子分子动力学（MD）模拟来探索三种具有不同骨架柔性水平的聚合物中链动力学与自由体积之间的关系：聚甲基戊烯（PMP）、聚苯乙烯（PS）和 HAB-6FDA 热重排聚合物（TRP）。我们在不同温度下构建这些聚合物，并考察温度如何影响 FVE 分布和链段流动性。我们的分析表明，靠近 FVEs 的链段相比本体中的原子具有更高的流动性；这种差异的程度随链柔性增加而增大。通过升高温度来增加链柔性会导致更宽的 FVE 分布。诸如 TRP 的刚性聚合物表现出最稳健的 FVE 分布，且不受温度变化的显著影响。为捕捉渗透物通过聚合物基体的扩散，我们注入氢气，并在不同温度下测量扩散；氢的流动性受 FVE 结构和聚合物链整体流动性的影响。在低温下，氢流动性受空隙分布影响，而在高温下，聚合物动力学主导氢传输。
引用
@article{arxiv.2209.09142,
title = {Structure, Dynamics and Hydrogen Transport in Amorphous Polymers: An Analysis of the Interplay Between Free Volume Element Distribution and Local Segmental Dynamics from Molecular Dynamics Simulations},
author = {Mohammed Al Otmi and Frank Willmore and Janani Sampath},
journal= {arXiv preprint arXiv:2209.09142},
year = {2023}
}
备注
supplementary information, scripts, and initial structures available at our GitHub page https://github.com/UFSRG/published-work/tree/main/2022-Otmi-Macromolecules