Predicting Solute Diffusivity in Polymers Using Time–Temperature Superposition

叠加原理 时间-温度叠加 热扩散率 聚合物 材料科学 热力学 复合材料 物理 数学 数学分析
作者
Robert M. Elder,David M. Saylor
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (20): 3768-3777 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c00057
摘要

We demonstrate a novel application of the time–temperature superposition (TTS) principle to predict solute diffusivity D in glassy polymers using atomistic molecular dynamics simulations. Our TTS approach incorporates the Debye–Waller factor ⟨u2⟩, a measure of solute caging, along with concepts from thermodynamic scaling methods, allowing us to balance contributions to the dynamics from temperature and ⟨u2⟩ using adjustable parameters. Our approach rescales the solute mean-squared displacement curves at several temperatures into a master curve that approximates the diffusive dynamics at a reference temperature, effectively extending the simulation time scale from nanoseconds to seconds and beyond. With a set of "universal" parameters, this TTS approach predicts D with reasonable accuracy in a broad range of polymer/solute systems. Using TTS greatly reduces the computational cost compared to standard MD simulations. Thus, our method offers a means to rapidly and routinely provide order-of-magnitude estimates of D using simulations.

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