Simulation Studies of Dynamics of Colloids in Complex Fluids
- 주제(키워드) Colloid , Dynamics , Percolation , Network , Carbon nanotube , CNT , Shear , Conductivity , Polymer composite , Annulene , Aromaticity
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 성봉준
- 발행년도 2013
- 학위수여년월 2013. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000049450
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
The dynamics of colloids has attracted increasing attention in both fundamental research and industrial applications. This work focuses on the dynamics of particles in highly crowded environments and shows how shear flow affects percolation behavior of carbon nanotube (CNT). Also, the dynamics of the percolation network of CNTs is investigated using computer simulations. Macromolecular crowding has been known to affect the dynamics of the particles such as diffusion because the environment is far different from the dilute solution. The effect of hydrodynamic interaction (HI) on the dynamics of binary mixtures of colloids is investigated by comparing Brownian Dynamics (BD) to Fast Lubrication Dynamics (FLD) simulations. Results show that particle displacement of colloids with and without HI are qualitatively similar but the timescales are significantly different. Also, HI reduces the diffusion of fluid spheres up to 3 times in crowded environments. Due to their high conductivity and mechanical properties, CNTs have attracted significant attention as the conductive filler for polymer composite materials. CNTs form an electrical percolation network easily because an aspect ratio of CNT is much higher than other filler materials. The electrical percolation network can form only when the CNT concentration is increased beyond a critical value, percolation threshold concentration. There have been extensive studies to minimize the percolation threshold concentration and hence maximize the electrical conductivity. Such studies have usually focused on the structure and the thermodynamics of composites without understanding of dynamics of the electrical percolation network. In this study, the dynamics of electrical percolation network in polymer-CNT composites is investigated by using Molecular Dynamics (MD) simulation and a percolation theory. The dynamics of the percolation network is strongly correlated with both the van der Waals interaction and the CNT aspect ratio. Also, it shows a clear transition as the CNT concentration reaches the percolation threshold concentration. It has been well known that the shear flow should influence the percolation behavior of CNTs significantly. However, the mechanism of the significant decrease in the electric conductivity has not been elucidated. In order to study the effect of shear on the electrical percolation network of polymer-CNT composites, configurations of CNTs in a simple shear, obtained by using Monte Carlo (MC) simulations, are used to locate the electrical percolation network of CNTs and calculate the electric conductivity. When exposed to the shear, CNTs align parallel to the shear direction and the electrical percolation threshold CNT concentration decreases. Meanwhile, after a certain period of the shear imposition above a critical shear rate, CNTs begin to form an aggregate and the percolating network of CNTs is broken; thus decreasing the electric conductivity significantly. Quasi-phase diagrams for the aggregate formation and the electrical percolation network formation offer insight into the effect of the shear rate and CNT concentration. The aromatic character of areno-condensed [18]annulenes is investigated theoretically using density functional theory (DFT). According to Huckel’s rule, [18]-annulene is well known as an aromatic macrocycle, however, areno-condensed [18]annulenes have been shown not to be aromatic due to reasons such as cross-conjugation. In an effort to characterize aromaticity systematically, various criteria for aromaticity have been suggested. Especially, induced ring current is one of the most widely used criterion for aromaticity and it can be estimated either experimentally or theoretically using nucleus-independent chemical shifts (NICS). The aromaticity of areno-condensed [18]annulenes is estimated based on NICS values.
more초록/요약
콜로이드 입자의 동역학은 기초 및 산업 분야의 연구에 있어서 중요한 위치를 차지하고 있다. 본 논문에서는 복잡 환경 내에서의 동역학과 전단 흐름이 탄소나노튜브의 퍼콜레이션에 미치는 영향을 다루었다. 더불어 퍼콜레이션 네트워크의 동역학을 전산모사를 이용하여 연구를 진행하였다. 복잡 환경 내에서 확산과 같은 입자들의 동역학은 일반적인 환경과 비교하여 크게 달라진 양상을 보이는데, 그러한 양상이 보이는 원인에 관해서는 여러 가지 원인이 제시되고 있다. 본 연구에서는 그 중에서 hydrodynamic interaction (HI) 이 혼합 콜로이드 입자의 동역학에 미치는 영향을 Brownian Dynamics (BD) 와 Fast Lubrication Dynamics (FLD) 간의 비교를 통해 조사하였다. 전산 모사를 통해 HI가 콜로이드 입자의 움직임과 확산 등에 끼치는 영향을 체계적으로 비교 및 분석하였다. 탄소나노튜브는 고유의 전기적, 기계적 특성으로 인하여 고분자 복합체 등에 널리 사용되었는데, 다른 첨가제 등에 비해 가로세로비가 월등히 큰 장점을 바탕으로 고분자 내에서 퍼콜레이션 네트워크를 쉽게 형성하는 것으로 알려져 있다. 퍼콜레이션 네트워크는 탄소나노튜브의 농도가 퍼콜레이션 농도 이상일 때 형성이 되는데, 기존에는 이러한 퍼콜레이션 농도를 감소시키는 동시에 전도도를 향상시키는 방안에 대해 주로 연구가 이루어졌다. 본 연구에서는 탄소나노튜브-고분자 복합체의 퍼콜레이션 네트워크의 동역학을 Molecular Dynamics (MD) 와 퍼콜레이션 이론을 통해 수행했다. 전산 모사 결과를 통해 퍼콜레이션 네트워크의 동역학은 탄소나노튜브의 가로세로비와 분자 간 인력에 의해 크게 영향을 받으며, 퍼콜레이션 농도 전후로 네트워크의 동역학에 큰 변화가 있음을 밝혀내었다. 전단 흐름은 탄소나노튜브의 퍼콜레이션 네트워크의 형성과 탄소나노튜브-고분자 복합체의 전도성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나, 그에 관한 원인에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 이러한 전단 흐름이 퍼콜레이션 네트워크와 전도도에 미치는 원인을 살펴보기 위하여 본 연구에서는 Monte Carlo (MC) 기법을 사용하여 전단 흐름의 세기와 탄소나노튜브의 농도에 따른 각각의 효과를 체계적으로 비교 및 분석하고, 더불어 퍼콜레이션 네트워크내의 탄소나노튜브의 위치 정보로부터 전도도를 계산했다. 본 연구의 결과를 통해 전단 흐름에 의해 탄소나노튜브의 배향이 동일한 방향으로 이루어 질 때에 퍼콜레이션 농도가 감소하고 전도도가 향상되나, 전단 흐름이 일정 세기 이상으로 증가하면 탄소나노튜브간의 군집을 형성하게 됨으로써 결과적으로는 전도도를 감소시키는 결과를 가져옴을 밝혀내었다. 마지막으로 아눌렌 (annulene) 유도체의 방향성에 관한 특성을 density functional theory (DFT)를 이용하여 이론적으로 살펴보았다. 기존의 연구를 통해 방향성을 나타내는 지표로서 여러 가지가 제시되었으나, 본 연구에서는 nucleus-independent chemical shifts (NICS) 를 사용하여 보다 정교하고 구체적인 수치를 통해 아눌렌 유도체의 방향성을 분석할 수 있게 되었다. 이와 같은 이론적인 접근을 통해 아눌렌 유도체 및 벤젠 유도체의 방향성을 각각 정량적으로 비교 및 분석하며, 나아가 스위칭을 통한 방향성의 변화를 나타내는 아눌렌 유도체에 관한 분자 구조를 설계 및 검증했다.
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