Dynamique de nanoparticules dans des solutions et gels de polymères : approche par simulation

Nanoparticle dynamics in polymer solutions and gels : a simulation approach

• Auteur / Autrice : Valerio Sorichetti
• Direction : Walter Kob, Virginie Hugouvieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Julian Oberdisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Walter Kob, Virginie Hugouvieux, Julian Oberdisse, Jörg Baschnagel, Angel Moreno Segurado, Ralf Everaers, Antoine Bouchoux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jörg Baschnagel, Angel Moreno Segurado

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Dynamique moléculaire

Polymères

Mots clés libres

Polymère

Simulation

Gel

Réseau

Dynamique moléculaire

Polymer

Simulation

Gel

Network

Molecular dynamics

Résumé

Les nanocomposites de polymères, systèmes de polymères contenant des nanoparticules (NP), sont des systèmes fascinants qui ont de nombreuses applications en science des matériaux, en biologie et en médecine, mais qui posent également des défis en physique théorique. L'un des problèmes fondamentaux de la physique des nanocomposites est de comprendre comment la structure et la dynamique du système dépendent de paramètres clés, tels que la taille et la fraction volumique des NP et la taille typique du maillage polymère. Dans cette thèse, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire pour étudier les propriétés structurelles et dynamiques des NP incorporées dans des nanocomposites de polymères liquides et solides. Nous observons que lorsque des NP faiblement attractives et bien dispersées sont ajoutées à une solution de polymères dense, les polymères et les NP subissent un ralentissement dynamique. Nous trouvons que, en accord qualitatif avec les expériences, ce ralentissement dynamique est capturé par un paramètre de confinement sous la forme h/λ, où h est la distance moyenne entre les surfaces des NP voisines (interparticle distance). Nous pouvons montrer que pour les NP lambda peut être interprété comme le rayon hydrodynamique des NP, alors que pour les polymères il se comporte comme une échelle de longueur de coopérativité. En simulant des réseaux de polymères polydispersés désordonnés contenant des NP purement répulsives, nous constatons que les petites NP peuvent diffuser librement à travers le maillage d'enchevêtrement, tandis que les grosses NP sont piégées de façon transitoire et ne peuvent se déplacer que par une séquence de ``sauts'' (mouvement de hopping). Nous constatons que le paramètre contrôlant la localisation des NP est le rapport entre le diamètre des NP et la longueur de localisation des crosslinks. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode pour caractériser le maillage géométrique dans les liquides de polymères, une quantité importante pour décrire la diffusion des NP dans un milieu désordonné.

Polymer nanocomposites, systems of polymers containing nanoparticles (NPs), are fascinating systems that have many applications in material science, biology and medicine, but also pose challenges to theoretical physics. One of the fundamental problems in the physics of nanocomposites is to understand how the structure and dynamics of the system depends on key parameters, such as NP size and volume fraction and the typical size of the polymeric mesh. In this thesis we use molecular dynamics simulations to study the structural and dynamic properties of NPs embedded in liquid and solid polymer-nanocomposites. We observe that when weakly attractive, well dispersed NPs are added to a dense polymer solution, both the polymers and the NPs experience a dynamical slowing down. We find that, in qualitative agreement with experiments, this dynamical slowing down is captured by a confinement parameter in the form h/λ, where h is the average distance between the surfaces of neighboring NPs (interparticle distance). We are able to show that for the NPs, λ can be interpreted as the hydrodynamic radius of the NP, whereas for the polymers it behaves as a cooperativity length scale. Simulating disordered, polydisperse polymer networks containing purely repulsive NPs, we find that small NPs can freely diffuse through the entanglement mesh, while large NPs are transiently trapped and can only move through a sequence of ``jumps'' (hopping motion). We find that the parameter controlling NP localization is the ratio between the NP diameter and the localization length of the crosslinks. Finally, we propose a new method to characterize the geometrical mesh size in polymer liquids, a quantity that is important to describe the diffusion of NP in a disordered medium.