شبیه سازی مولکولی جذب سطحی پلی (2-اکسازولین) بر روی نانوصفحه گرافن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده
چکیده

موضوع تحقیق: پلی (2-اکسازولینها) خانواده ای از پلیمرهای مصنوعی هستند که دارای زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری مطلوبی بوده و به دلیل شباهت ساختاری با پلی پپتیدها اخیرا در کاربردهای دارورسانی نیز مورد توجه قرار گرفته اند. از آنجا که این پلیمرها خواص گرمایی و مکانیکی نسبتا پایینی دارند به کمک نانوذرات مناسب نظیر گرافن و نانولوله، تقویت شده و به صورت نانوکامپوزیت استفاده می شوند. سازوکار تقویت کنندگی نانوذرات در ماتریس این پلیمرها هنوز از دیدگاه مولکولی کاملا مشخص نشده است.

روش تحقیق: این پژوهش به منظور فهم بهتر برهمکنش پلیمری بر پایه 2-اکسازولین با تقویت کننده های نانویی دو بعدی و رفتار این پلیمر در مجاورت آنها صورت گرفت. صورتبندی و دینامیک یک تک زنجیر پلی (2-اتیل-2-اکسازولین)، به عنوان نماینده شناخته شده ای از این گروه، در مجاورت یک نانوصفحه گرافن عاملیت دار شده، به کمک دینامیک مولکولی کلاسیک و در یک بازه زمانی 10 نانوثانیه ای شبیه سازی شد. همچنین، اثر تغییر دما به همراه تغییر تعداد مونومرهای زنجیر پلیمر بر روی صورتبندی و دینامیک پلی (2-اتیل-2-اکسازولین) بررسی گردید.

نتایج اصلی: تصاویر لحظه ای بدست آمده در زمانهای مشخص نشان دادند که زنجیر پلیمر با نانوصفحه گرافن برهمکنش موثری نشان داده و جذب سطحی به سرعت رخ می دهد. این رویداد با تغییر صورتبندی زنجیر و دینامیک آن همراه است. زنجیر پلیمری در مجاورت نانوصفحه گرافن به صورت تقریبا موازی قرار گرفته و تاخوردگی ایجاد می شود. شعاع چرخش زنجیر در اثر این برهمکنش افزایش یافته و همچنین طول همبستگی جذب سطحی در حد ابعاد واحد تکراری زنجیر است. جابجایی مربع میانگین زنجیر پلی (2-اتیل-2-اکسازولین) با نزدیک شدن زنجیر پلیمر به نانوصفحه گرافن کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Molecular Simulation of Poly (2-oxazoline) Adsorption on Graphene Nanosheet

نویسندگان English

samira foroutan
ahmad asadinezhad
Isfahan University of Technology
چکیده English

Research subject: Poly (2-oxazoline) (PEOX) polymers are a family of synthetic macromolecules with biodegradable and biocompatible features. They resemble polypeptides in structure and therefore, have recently taken put to use in drug delivery. Nonetheless, these polymers suffer from relatively low thermal and mechanical performance and thus are reinforced with nanoparticles as nanocomposites. The molecular details of the reinforcement mechanism of PEOX have not yet been elucidated.

Research approach: This research work was done to reach an understanding on interaction of 2-oxazoline-based polymers with 2D nanoscale reinforcements and to shed light on the mechanism of reinforcing the respective nanocomposites. To this end, conformation and dynamics of poly (2-ethyl-2-oxazoline), as a known representative member of this family, near a functionalized graphene nanosheet were studied via classical molecular dynamics for a period of 10 ns. The effects of various temperatures and polymer chain lengths on polymer conformation and dynamics were assessed.

Main results: Molecular dynamics snapshots exhibited effective interaction of the polymer chain with the graphene nanosheet leading to adsorption, whereby conformation and dynamics of the chain underwent transition. The adsorbed polymer chain adopted a flat, folded arrangement parallel with the graphene plane. Also, the gyration radius was found to increase, when the polymer chain approached the graphene nanosheet. Pair correlation function curves revealed that the adsorption correlation length was on the order of the repeating unit end-to-end distance. Mean-square-displacement of the polymer chain decreased as it moved towards graphene. An increase in temperature led to a change in structure and dynamics of the adsorbed polymer chain.

کلیدواژه‌ها English

poly (2-oxazoline)
molecular dynamics
Graphene
simulation
Adsorption
[1] Asadi R., Farhadi K., Soltaniani M.H. and Ghaffarzadeh M., Investigation of Detonation of Glycidyl triazolium methyl nitrate as a New Energetic Polymer in Propellant Rockets with Molecular Dynamic Simulation, J. Appl. Res. Chem-Polym. Eng., 1, 3, 2018.
[2] Zhang X. Rajaraman X., Liu H. and Ramakrishna S., Graphene's potential in Materials Science and Engineering, RSC Adv., 4, 28987, 2014.
[3] Wang X. and Shi G., An Introduction to the Chemistry of Graphene, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 28484, 2015.
[4] Zhu j., Chen M., He Q., Shao L., Wei S. and Guo, Z., An Overview of the Engineered Graphene Nanostructures and Nanocomposites, RSC Adv., 3, 22790, 2013.
[5] Flynn G.W., Perspective: The Dawning of the Age of Graphene, J. Chem. Phys., 135, 05091, 2011.
[6] Rissanou A.N., Power A.J. and Harmandaris V., Structural and dynamical Properties of Polyethylene/Graphene Nanocomposites through Molecular Dynamics Simulations, Polymers, 7, 390, 2015.
[7] Asadinezhad A. and Kelich P., Effects of Carbon Nanofiller Characteristics on PTT Chain Conformation and Dynamics: A Computational Study, Appl. Surf. Sci., 392, 981, 2017.
[8] Kelich P. and Asadinezhad A., Adsorption of Poly (ethylene succinate) Chain onto Graphene Nanosheets: A Molecular Simulation, J. Mol. Graph. Model. 69, 26, 2016.
[9] Hoogenboom R., Poly (2‐oxazoline)s: a Polymer Class with Numerous Potential Applications, Angew. Chem. Int. Ed., 48, 7978, 2009.
[10] Bernard A.M., Molecular Modeling of Poly (2-ethyl-2-oxazoline), PhD Thesis, Georgia Institute of Technology, 2008.
[11] Boel E., A., Vergaelen M., De la Rosa V.R., Hoogenboom R. and Van den Mooter G., Comparative Study of the Potential of Poly(2-ethyl-2-oxazoline) as Carrier in the Formulation of Amorphous Solid Dispersions of Poorly Soluble Drugs, Eur. J. Pharm. Biopharm., 144, 79, 2019.
[12] Shubha A. and Manohara S.R., Thermal, Conductivity, and Dielectric Properties of Poly(2-ethyl-2-oxazoline)-Polyvinylpyrrolidone Blends, J. Polym. Res., 25, 174, 2018.
[13] Yarahmadi E., Didehban K., Shabanian M., Saeb M.R., Assessing the Crosslinking Behavior of Nanocomposites Based on Epoxy and Starch-modified Graphene Oxide Nanosheets Potent to be Applied as Engineering Coatings, J. Appl. Res. Chem-Polym. Eng., 1, 61, 2017.
[14] Khabiri M., Jafari S.H., Pourhossaini M.R., Khonakdar H.A., Influence of Swelling Phenomenon on Filler Structure in Nitrile-Silica Nanocomposite as Resistant Rubber Compound to Solvent, J. Appl. Res. Chem-Polym. Eng., 1, 51, 2018.
[15] Khonakdar H.A., Ehsani M., Asadinezhad A., Jafari S.H. and Wagenknecht U., Nanofilled Polypropylene/Poly (trimethylene terephthalate) Blends: A Morphological and Mechanical Properties Study, J. Macromol. Sci. Phys., 52, 897, 2013.
[16] Rao C.N. and Sood A.K., Graphene: Synthesis, Properties, and Phenomena, John Wiley and Sons, Weinheim, 2013.
[17] L. Niranjanmurthi, C. Park and Lim K.T., Synthesis and Characterization of Graphene Oxide /Poly (2-ethyl- 2-oxazoline) Composites, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 564, 206, 2012.
[18] Wang M., Gustafsson O.J.R., Siddiqui G., Javed I., Kelly H.G., Blin T., Yin H., Kent S.J., Creek D.J., Kempe K., Ke P.C. and Davis T.P., Human Plasma Proteome Association and Cytotoxicity of Nano-graphene Oxide Grafted with Stealth Polyethylene Glycol and Poly(2-ethyl-2-oxazoline), Nanoscale, 10, 10863, 2018.
[19] Kelich P. and Asadinezhad A., Molecular Simulation Study on Brushes of Poly (2-ethyl-2-oxazoline), Mater. Today Commun., 21, 100681, 2019.
[20] Oostenbrink C., Villa A., Mark A.E. and Gunsteren W.F., A Biomolecular Force Field Based on the Free Enthalpy of Hydration and Solvation: the GROMOS Force-field Parameter Sets 53A5 and 53A6., J. Comput. Chem., 25, 1656, 2004.
[21] Jorgensen W.L., Maxwell D.S. and Tirado-Rives J., Development and Testing of the OPLS All-atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids, J. Am. Chem. Soc. 118, 11225, 1996.
[22] Van der Spoel D., Lindahl E., Hess B., Groenhof G., Mark A.E. and Berendsen H.J.C., GROMACS: Fast, Flexible, and Free, J. Comput. Chem. 26, 1701, 2005.
[23] Bussi G., Donadio D. and Parrinello M.J., Canonical Sampling through Velocity Rescaling, J. Chem. Phys.126, 014101, 2007.
[24] Steinhauser M.O., Computational Multiscale Modelling of Fluids and Solids: Theory and Applications, Springer, Heidelberg. 2008.
[25] Humphrey W., Dalke A. and Schulten K., VMD: Visual Molecular Dynamics, J. Mol. Graph., 14, 33, 1996.