Определение θ-условий для параметризации внутрицепной жесткости модели линейной полимерной цепи в методе диссипативной динамики частиц
П.В. Комаров1, И.К. Патренков2, М.Д. Малышев1, М.К. Глаголев1
1 ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН»
2 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.433
Оригинальная статья
Аннотация: При построении мезомасштабных моделей молекулярных систем структура всех химических компонент подвергается упрощению посредством преобразования, известного как «огрубление». В случае моделирования полимерных материалов конформационные свойства огрубленных моделей полимерных цепей могут не соответствовать исходным химическим прототипам. Это можно компенсировать посредством введения в модель дополнительных потенциалов. В рамках метода диссипативной динамики частиц выполнено определение θ- условий для модели линейной полимерной цепи типа «бусин на пружинках» в условиях бесконечно разбавленного раствора. Показано, что значение максимальной амплитуды консервативной силы, определяющей взаимодействие полимера и растворителя, отвечающее θ-условиям, сильно зависит от величины константы жесткости Kb потенциала деформации связей между бидами и имеет тенденцию к выходу на насыщение, когда Kb > 30. Для случая Kb = 200 были выполнены расчеты зависимости характеристического отношения C∞ модельных цепей разной длины в зависимости от константы жесткости Ka потенциала деформации угла между связями бидов. Полученные результаты хорошо согласуются с данными из литературы и воспроизводятся с помощью теоретической оценки. Построенная функциональная зависимость C∞ от Ka имеет универсальный характер и может использоваться для корректного построения моделей различных гомополимеров, когда важно учитывать их конформационные свойства.
Ключевые слова: мезомасштабное моделирование, диссипативная динамика частиц, линейные полимерные цепи, внутрицепная жесткость, характеристическое отношение
- Комаров Павел Вячеславович – д.ф.-м.н., доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории физической химии полимеров, ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН»
- Патренков Иван Константинович – аспирант 1 года обучения кафедры общей физики , ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Малышев Максим Дмитриевич – к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории компьютерного моделирования макромолекул, ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН»
- Глаголев Михаил Константинович – к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории физической химии полимеров, ФГБУН «Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН»
Ссылка для цитирования:
Комаров, П.В. Определение θ-условий для параметризации внутрицепной жесткости модели линейной полимерной цепи в методе диссипативной динамики частиц / П.В. Комаров, И.К. Патренков, М.Д. Малышев, М.К. Глаголев // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 433-446. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.433. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Li, A.-B. Stiffness and excluded volume effects on conformation and dynamics of polymers: a simulation study / A.-B. Li, Y.-G. Yao, H. Xu // Chinese Journal of Polymer Science. – 2012. – V. 30. – I. 3. – P. 350-358. DOI: 10.1007/s10118-012-1123-5.
2. Hsu, H.-P. Estimation of persistence lengths of semiflexible polymers: Insight from simulations / H.-P. Hsu, W. Paul, K. Binder // Polymer Science Series C. – 2013. – V. 55. – I. 1. – P. 39-59. DOI: 10.1134/S1811238213060027.
3. Rubinstein, M. Polymer physics / M. Rubinstein, R.H. Colby. – 1st ed. – Oxford: Oxford University Press, 2003. – 454 p.
4. Moreno, A.J. Effect of chain stiffness on the structure of single-chain polymer nanoparticles / A.J. Moreno, P. Bacova, F. Lo Verso et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2018. – V. 30. – № 3. – Art. №. 034001. – 13 p. DOI: 10.1088/1361-648X/aa9f5c.
5. Paquet, E. Molecular dynamics, Monte Carlo simulations, and langevin dynamics: a computational review / E. Paquet, H.L. Viktor // BioMed Research International. – 2015. – V. 2015. – I. 1. – Art. №. 183918. – 18 p. DOI: 10.1155/2015/183918.
6. Schmid, F. Understanding and modeling polymers: the challenge of multiple scales / F. Schmid // ACS Polymers Au. – 2022. – V. 3. – I. 1. – P. 28-58. DOI: 10.1021/acspolymersau.2c00049.
7. Akhukov, M.A. MULTICOMP package for multilevel simulation of polymer nanocomposites / M.A. Akhukov, V.A. Chorkov, A.A. Gavrilov et al. // Computational Materials Science. – 2023. – V. 216. – Art. № 111832. – 16 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111832.
8. Khalatur, P.G. Molecular dynamics simulations in polymer science: methods and main results / P.G. Khalatur // Polymer Science: A Comprehensive Reference. – 2012. – V. 1. – P. 417-460. DOI: 10.1016/b978-0-444-53349-4.00016-9.
9. Glotzer, S.C. Molecular and mesoscale simulation methods for polymer materials / S.C. Glotzer, W. Paul // Annual Review of
Materials Research. – 2002. – V. 32. – P. 401-436. DOI: 10.1146/annurev.matsci.32.010802.112213.
10. Wang, J. Dissipative particle dynamics simulation: a review on investigating mesoscale properties of polymer systems / J. Wang, Y. Han, Z. Xu et al. // Macromolecular Materials and Engineering. – 2021. – V. 306. – I. 4. – Art. №. 2000724. – 15 p. DOI: 10.1002/mame.202000724.
11. Joshi, S.Y. A review of advancements in coarse-grained molecular dynamics simulations / S.Y. Joshi, S.A. Deshmukh // Molecular Simulation. – 2021. – V. 47. – I. 10-11. – P. 786-803. DOI: 10.1080/08927022.2020.1828583.
12. Jin, J. Bottom-up coarse-graining: Principles and perspectives / J. Jin, A.J. Pak, A.E.P. Durumeric // Journal of Chemical Theory and Computation. – 2022. – V. 18. – I. 10. – P. 5759-5791. DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00643.
13. Español, P. Perspective: dissipative particle dynamics / P. Español, P.B. Warren // The Journal of Chemical Physics. – 2017. – V. 146. – I. 15. – Art. №. 150901. – 16 p. DOI: 10.1063/1.4979514.
14. Scacchi, A. Multiscale modelling of biopolymers / A. Scacchi, M. Vuorte, M. Sammalkorpi // Advances in Physics: X. – 2024. – V. 9. – I. 1. – Art. №. 2358196. – 55 p. DOI: 10.1080/23746149.2024.2358196.
15. Hentschke, R.A. Concise introduction to polymer physics: theoretical concepts and applications / R.A. Hentschke. – Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2025. – 398 p.
16. Stukan, M.R. Chain length dependence of the state diagram of a single stiff-chain macromolecule: theory and Monte Carlo simulation / M.R. Stukan, V.A. Ivanov, A.Y. Grosberg et al. // The Journal of Chemical Physics. – 2003. – V. 118. – I. 7. – P. 3392-3400. DOI: 10.1063/1.1536620.
17. Auhl, R. Equilibration of long chain polymer melts in computer simulations / R. Auhl, R. Everaers, G.S. Grest et al. // The Journal of Chemical Physics. – 2003. – V. 119. – I. 24. – P. 12718-12728. DOI: 10.1063/1.1628670.
18. Nardai, M.M. Simulation of dilute solutions of linear and star-branched polymers by dissipative particle dynamics / M.M. Nardai, G. Zifferer // The Journal of Chemical Physics. – 2009. – V. 131. – I. 12. – Art. №. 124903. – 9 p. DOI: 10.1063/1.3231854.
19. Guskova, O.A. Mesoscopic simulations of morphological transitions of stimuli-responsive diblock copolymer brushes / O.A. Guskova, C. Seidel // Macromolecules. – 2011. – V. 44. – I. 3. – P. 671-682. DOI: 10.1021/ma102349k.
20. Groot, R.D. Dissipative particle dynamics: bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation / R.D. Groot, P.B. Warren // The Journal of Chemical Physics. – 1997. – V. 107. – I. 11. – P. 4423-4435. DOI: 10.1063/1.474784.
21. Flory, P.J. Thermodynamics of high polymer solutions / P.J. Flory // The Journal of Chemical Physics. –1941. – V. 9. – I. 8. – P. 660-660. DOI: 10.1063/1.1750971.
22. Huggins, M.L. Some properties of solutions of long-chain compounds / M.L. Huggins // The Journal of Chemical Physics. – 1942. – V. 46. – I. 1. – P. 151-158. DOI: 10.1021/j150415a018.
23. LAMMPS molecular dynamics simulator. – Режим доступа: www.url: https://www.lammps.org. – 17.08.2025.
24. Malyshev, M. Two-state nanocomposite based on symmetric diblock copolymer and planar nanoparticles: mesoscopic simulation / M. Malyshev, D. Guseva, P. Komarov // Molecular Systems Design and Engineering. –2024. – V. 9. – I. 4. – P. 409-422. DOI: 10.1039/d3me00176h.
25. Brandrup, J. Polymer Handbook / J. Brandrup, E.H. Immergut, E.A. Grulke. – 4th ed. – New Jersey: Wiley-Blackwell, 1999. – 2336 p.
26. Voevodin, V.V. Supercomputer Lomonosov-2: Large scale, deep monitoring and fine analytics for the user community / V.V. Voevodin, A.S. Antonov, D.A. Nikitenko et al. // Supercomputing Frontiers and Innovations. – 2019. – V. 6. – I. 2. – P. 4-11. DOI: 10.14529/jsfi190201.