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https://hdl.handle.net/1822/42572
Título: | Modelling the physical properties of nanostructures and composites |
Autor(es): | Pyrlin, Sergey |
Orientador(es): | Ramos, Marta M. D. |
Data: | 17-Jun-2016 |
Resumo(s): | This thesis investigates the possibility to design novel composite materials by
addition of carbon nanotubes to polymer matrix. Despite the extensive research
in this field the problem of achieving stable electrical conduction, anticipated by
early theoretical studies, still constitutes a significant challenge. One approach
to circumvent this problem is apply the recently synthesized tetrakis-Schiff zinccomplexes
as a guiding agents for nanotubes. The remarkable ability of such complexes
to self-assemble in molecular networks, incorporating nanotubes, opens a
promising possibility to achieve good conductivity at extremely low concentrations.
In order to understand the scattered electrical properties obtained from the
experiments, this thesis studies the effects of agglomeration and alignment of
carbon nanotubes in polymer matrix as the possible sources of high deviations
in experimentally measured direct current resistivities. It is shown with Monte
Carlo simulations that, with the contemporary methods of industrial processing,
the nanotube agglomerates can be reduced to the limit where their impact on
composite’s conductivity is negligible. Thus, the alignment of nanotubes must be
viewed as the main source of electrical properties deviation. It was also shown using
molecular dynamics simulations that bending of nanotubes, expected at high
concentrations, results in diminishing of their benefits for composite’s mechanical
properties.
Using the simple Monte Carlo approach it is shown in this thesis that employment
of self-assembling tetrakis-Schiff zinc-complexes as guiding agents allows the
formation of connected networks at extremely low nanotube concentration. This
thesis also reports the extensive molecular dynamics studies of the of tetrakis-
Schiff complexes behaviour in solvent environment and suggests a possible mechanism,
explaining all the experimental findings concerning the formation of molecular
networks of connected rings available so far. The suggested mechanism is
supported by free energy calculations for association of tetrakis-Schiff molecular
chains in solvent. The findings reported in this thesis support the emerging direction in polymeric
composites design, within which composite morphology is controlled via
molecular self-assembly. Esta tese investiga a possibilidade de serem desenvolvidos novos materiais compósitos através da adição de nanotubos de carbono a matrizes poliméricas. Apesar da extensa investigação nesta área, a dificuldade em obter condução elétrica estável, prevista em estudos teóricos iniciais, continua a ser um desafio maior. Uma nova abordagem para ultrapassar este problema é a aplicação a estes compósitos das moléculas de “tetrakis-Schiff zinc-complexes”, com capacidades de auto-organização, para servirem como agentes orientadores para os nanotubos de carbono no interior da matriz polimérica, abrindo a possibilidade de se obter boa condutibilidade elétrica para concentrações de nanotubos extremamente baixas. Através de simulações de Monte Carlo mostrou-se que, com os métodos atuais de processamento industrial, os aglomerados de nanotubos são reduzido a um limite onde o seu impacto na condutividade do compósito é insignificante. Assim, o alinhamento de nanotubos deve ser tido em conta como a principal fonte de variação nas propriedades elétricas. Através de simulações de dinâmica molecular demonstrou-se que a flexão de nanotubos, esperada a concentrações elevadas, resulta numa diminuição dos seus benefícios para as propriedades mecânicas do compósito. Usando o método de Monte Carlo, é mostrado nesta tese que o uso das moléculas de “tetrakis-Schiff zinc-complexes”, com capacidades de auto-organização, em compósitos poliméricos com nanotubos de carbono, permite a formação de redes de nanotubos para concentrações extremamente baixas. Esta tese também apresenta um estudo detalhado sobre o comportamento de complexos tertakis- Schiffe em solvente, usando o método de dinâmica molecular, e sugere um mecanismo possível para a formação de redes moleculares de anéis interligados nestas moléculas, explicando todos os resultados experimentais disponíveis até à data. O mecanismo sugerido tem por base cálculos de energia livre da associação de cadeias moleculares de tetrakis-Schiff no solvente. Os resultados apresentados nesta tese sugerem que a direção a ser seguida no desenvolvimento de novos compósitos poliméricos com propriedades elétricas estáveis, deverá ser aquela em que a morfologia do compósito é controlada através de auto-organização molecular. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Física |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/42572 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | CDF - FCT - Teses de Doutoramento/PhD Thesis |
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Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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