Strukturbildung nach rascher Zustandsänderung: Herstellung von periodischen Netzwerkmorphologien und ihre Stabilisierung durch Vernetzung in Diblockkopolymeren

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Müller
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Polymermaterialien ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244599224

Periodische Netzwerkmorphologien (PNM) von Blockkopolymeren haben beständiges Interesse auf sich gezogen wegen ihrer nützlichen mechanischen Eigenschaften und ihrem großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Leider sind sie jedoch oft nur metastabil. Die herkömmlichen Herstellungsverfahren zielen darauf ab, ihre thermodynamische Stabilität durch Verminderung der Packungsfrustration mittels Beimischungen und Polydispersität der Polymere zu erhöhen.Wir schlagen vor, periodische Netzwerkmorphologien durch die reproduzierbare Steuerung der Strukturbildungskinetik in die gewünschte metastabile Morphologie und anschließendes Vernetzen herzustellen. Unsere Strategie baut auf der Zeitskalenseparation zwischen (i) der sehr raschen Änderung des thermodynamischen Zustands (quench), (ii) der schnellen, thermodynamisch getriebenen Strukturbildung aus einer höchst instabilen Morphologie nach der raschen Zustandsänderung in die metastabile Netzwerkmorphologie, und (iii) dem langsamen Entkommen aus dem metastabilen Zustand in den Gleichgewichtszustand durch einen thermisch aktivierten Nukleationsprozess auf.Mittels Computersimulation von weichen, vergröberten, teilchenbasierten Modellen und numerischer selbstkonsistenter Feldtheorie werden wir die Freie-Energie-Landschaft nach der raschen Zustandsänderung (z.B. einer Transformation der molekularen Architektur oder einem Drucksprung) untersuchen und die erreichbaren, metastabilen Morphologien ausloten. Unsere Untersuchungen werden zwei jüngst entwickelte Simulationsmethoden verwenden: (i) Field-Theoretic Umbrella Sampling wird es uns erlauben, die freie Energie des teilchenbasierten Simulationsmodells als Funktional der Segmentdichte (Ordnungsparameter) zu bestimmen. (ii) Mittels der Improved String Method werden wir den Pfad minimaler freier Energie von dem instabilen Anfangszustand über die gewünschte, metastabile, periodische Netzwerkmorphologie bis zu der Gleichgewichtsstruktur erhalten und den Prozesspfad entwerfen, um die Verweildauer in dem gewünschten Übergangszustand zu optimieren. Die Vorhersagen der selbstkonsistenten Feldtheorie werden mit den teilchenbasierten Simulationen der Strukturbildungskinetik verglichen, um die Rolle von thermischen Fluktuationen und die Annahme, dass die Konformationen der Makromoleküle im Gleichgewicht mit der instantanen Dichteverteilung sind, zu überprüfen. Effiziente Strategien, um die metastabilen, periodischen Netzwerkmorphologien durch Vernetzung zu stabilisieren, werden entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Personen: Privatdozent Dr. Kostas Ch. Daoulas; Professor Dr. Mark P. Stoykovich