Застосування молекулярно-динамічного моделювання для визначення фізико-хімічних властивостей полімерних та композитних матеріалів на їхній основі

Abstract

Проаналізовано альтернативний експериментальному підхід до розробки нових полімерних матеріалів — комп’ютерне моделювання фізичних систем методами молекулярної динаміки, яке є потужним інструментом для прогнозування фізико-хімічних та фізико-механічних властивостей створюваних полімерів. Проведено огляд програмного забезпечення для дослідження фізико-механічних властивостей полімерів та композитів на їхній основі; силових полів для опису взаємодії атомів/молекул полімерів, наведено різні алгоритми побудови полімерних структур та їхнє врівноваження. Проаналізовано ефективність застосування різних підходів до молекулярно-динамічного моделювання полімерних та нанокомпозитних систем. Встановлено, що методи молекулярної динаміки дають можливість поглибити розуміння поведінки полімерів за різних зовнішніх умов на основі аналізу траєкторії атомістичної/молекулярної моделі з можливістю відстеження та контролю усіх параметрів процесу, фіксування найменших структурних змін. До основних недоліків вказаних методів належить потреба в потужних обчислювальних ресурсах. Проаналізовано результати молекулярно-динамічного моделювання, що включають числові дослідження теплофізичних, механічних, реологічних та трибологічних властивостей. На підставі проведеного огляду, виконано побудову та моделювання двох молекулярних моделей поліетилену, описаних різними силовими полями з використанням вільно відкритого пакету прикладних програм LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу. Встановлено, що за умови коректного застосування методів молекулярно-динамічного моделювання можна отримати результати, що відповідають експериментальним даним. Отримані значення фізичних властивостей матеріалів в подальшому можуть бути використані під час континуального моделювання.

This study explores an alternative to experimental approach for developing new polymeric materials through computer modeling of physical systems using molecular dynamics methods. Molecular dynamics is a powerful tool for predicting the physical, chemical, and mechanical properties of synthesized polymers. The paper provides an overview of different software for investigating the physical and mechanical properties of polymers and their composites, including force fields for describing the interaction of polymer atoms/molecules, various algorithms for constructing polymer structures, and their equilibration. The efficiency of different approaches to molecular dynamics modeling of polymeric and nanocomposite systems is analyzed. Molecular dynamics methods enhance the understanding of polymer behavior under various external conditions by analyzing the trajectory of atomic/molecular models and tracking and controlling all process parameters, capturing minimal structural changes. However, a notable disadvantage is the requirement for substantial computational resources. The study evaluates the results of molecular dynamics modeling, encompassing numerical investigations of thermal, mechanical, rheological, and tribological properties. Based on the comprehensive review, two molecular models of polyethylene are constructed and simulated using different force fields, employing the open-source molecular dynamic code LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) to determine the physical and mechanical properties of the material. It is established that, under appropriate application of molecular dynamics methods, results congruent with experimental data can be obtained. The obtained physical property values can subsequently be utilized in continuum modeling processes.