Reversible Cross-links in Polymer Chains The influence of sacrificial bonds on the mechanical behavior of polymeric system investigated using Monte Carlo simulations

Titel in Übersetzung: Der Einfluss reversibler Querverbindungen auf die mechanischen Eigenschaften polymerer Systeme

Seyedsoran Nabavi

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In dieser Arbeit wird der Einfluss von reversiblen Querverbindungen auf die mechanischen Eigenschaften polymerer Systeme untersucht. Die Motivation für diese Arbeit findet sich in der Vielzahl von quervernetzten Systemen in biologischen Systemen. Die Natur verwendet solche Querverbindungen, um die mechanischen Eigenschaften von Proteinnetzwerken gezielt zu steuern und einzustellen. Diese Querverbindungen sind schwächer als die kovalenten Bindungen der Hauptkette und brechen daher früher unter Belastung. Dieses frühzeitige Brechen der zusätzlichen Bindungen öffnet Schleifen im Protein, deren Auseinanderziehen Energie sehr effizient dissipiert. Deshalb spricht man im Englischen auch von „Sacrificial Bonds“ und „Hidden Length“. In der vorliegenden Arbeit wurde ein einfaches Modell entwickelt, um solche Prozesse im Computer nachstellen zu können. In diesem Modell werden Polymere als Ketten von Massenpunkten beschrieben, die über kovalente Bindungen zusammengehalten werden. Weiters wurden manche der Monomere als „klebrig“ definiert. Jeweils zwei solcher klebrigen Monomere konnten eine Querverbindung schaffen, die als Sacrificial Bond wirkt. Das Verhalten dieses einfachen Modells wurde mittels Monte Carlo Simulationstechniken untersucht. Zunächst wurde das Verhalten von einzelnen Polymerketten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Topologie der Querverbindungen einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Kette hat. Überraschenderweise ist auch die zusätzliche Kraft, die durch die Sacrificial Bonds ausgeübt wird, rein entropischen Ursprungs. Das ist vor allem deshalb überraschend, weil die kleinsten Energien im System einen Faktor 50 größer als kT sind und somit eigentlich zu erwarten wäre, dass der Einfluss der Temperatur eher gering ist. In weiterer Folge konnte auch gezeigt werden, dass die Verteilung der klebrigen Monomere einen großen Einfluss auf die Mechanik des Systems hat. Eine regelmäßige Verteilung erhöht die Festigkeit des Systems und eine zufällige Verteilung erniedrigt diese. Weiters konnte durch zyklische Belastungstest gezeigt werden, dass die Systeme Energie dissipieren. Die Menge der dissipierten Energie hängt von der Anzahl der Sacrificial Bonds im System ab. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit der Entlastung einen großen Einfluss auf die Topologie der wieder geformten Bindungen hat und somit das Verhalten des zweiten Belastungszyklus stark bestimmt. Zusätzlich wurden auch Faserbündel untersucht. Hier können sich Querverbindungen auch zwischen einzelnen Ketten ausbilden. Das überraschendste Resultat in diesen Systemen ist, dass schon zwei Sacrificial Bonds ausreichen, um zu einem Aufbrechen der Hauptkette zu führen. Und das obwohl eine Querverbindung einen Faktor 4 schwächer als die Bindung entlang der Hauptkette ist. Gleichzeitig erhöht sich allerdings die Steifigkeit dieser Systeme beträchtlich.
Titel in ÜbersetzungDer Einfluss reversibler Querverbindungen auf die mechanischen Eigenschaften polymerer Systeme
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Paris, Oskar, Beurteiler A (intern)
  • Weinkamer, Richard, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2014

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Monte Carlo simulation Mechanische Eigenschaften Reversible Querverbindungen

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