008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■020    ▼a9798379753030
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30419970
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a539
■1001  ▼aEtha,  Sai  Ankit.
■24510▼aMolecular-Scale  Exploration  of  Interactions  Between  Drops  and  Particles  with  a  Polymeric  Layer▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  Maryland,  College  Park.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(153  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  84-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Das,  Siddhartha.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Maryland,  College  Park,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aSurface-grafted  polymer  molecules  have  been  extensively  employed  for  surface  modifications  as  they  ensure  changes  to  the  inherent  physical/chemical  properties  of  surface.  Bottom-up  surface  processing  with  well-defined  polymeric  structures  becomes  increasingly  important  in  many  current  technologies.  Polymer  brushes,  which  are  polymer  molecules  grafted  to  a  substrate  by  its  one  end  at  close  enough  proximity  (thereby  ensuring  that  they  stretch  out  like  the  "bristles"  of  a  toothbrush),  provide  an  exemplary  system  of  materials  capable  of  achieving  such  a  goal.  In  particular,  producing  functional  polymer  brushes  with  well-defined  chemical  configurations,  densities,  architectures,  and  thicknesses  on  a  material  surface  has  become  increasingly  important  in  many  fields.In  my  dissertation,  I  employ  Molecular  Dynamics  (MD)  simulations  to  study  the  interplay  of  interactions  between  nanoparticles  (NPs),  solvent  drops  and  polymer  grafted  surfaces  under  various  system  conditions.  This  study  will  help  us  to  understand  (1)  the  wetting  dynamics  of  brush  grafted  surfaces  and  the  associated  brush  conformational  changes,  (2)  polymer-insoluble  solvophilic  NP  assembly  in  brush  grafted  surfaces  and  the  steric  interactions  driven  establishment  of  direct  contacts  between  a  NP  and  a  polymer  layer  (highly  phobic  to  the  NP),  and  (3)  microphase  separation  and  distillation-like  behavior  of  grafted  polymer  bilayers  interacting  with  a  binary  liquid  mixture,  and  the  resulting  nanofluidic  valving  behavior  of  swollen  polymer  bilayers  in  a  weak  interpenetration  regime.In  Chapter  1,  I  provide  the  background  and  motivation  of  the  research  presented  in  this  thesis.In  Chapter  2,  I  study  the  spreading  and  imbibition  of  a  liquid  drop  on  a  porous,  soft,  solvophilic,  and  responsive  surface  represented  by  a  layer  of  polymer  molecules  grafted  on  a  solvophilic  solid.  These  polymer  molecules  are  in  a  crumpled  and  collapsed  globule-like  state  before  the  interaction  with  the  drop,  but  transition  to  a  "brush"-like  state  as  they  get  wetted  by  the  liquid  drop.  We  hypothesize  that  for  a  wide  range  of  densities  of  polymer  grafting  (σg),  the  drop  spreading  is  dictated  by  the  balance  of  the  driving  inertial  pressure  and  balancing  viscoelastic  dissipation,  associated  with  the  spreading  of  the  liquid  drop  on  the  polymer  layer  that  undergoes  globule-to-brush  transition  and  serves  as  the  viscoelastic  solid.  Finally,  I  argue  that  these  simulations  raise  the  possibility  of  designing  soft  and  "responsive"  and  widely  deployable  liquid-infused  surfaces  where  the  polymer  grafted  solid,  with  the  polymer  undergoing  a  globule-to-brush  transition,  serving  as  the  responsive  "surface".In  Chapter  3,  I  employ  coarse-grained  molecular  dynamics  (MD)  simulations  and  establish  that  under  appropriate  conditions,  it  is  possible  to  develop  numerous  stable  direct  contacts  between  a  polymer-insoluble  NP  and  a  solvated  polymer  layer  (the  polymer  layer  is  phobic  to  the  NP,  while  the  solvent/liquid  is  philic  to  both  the  NP  and  the  polymer).  The  NP  is  driven  inside  a  layer  of  collapsed  and  phobic  (to  the  NP)  polymer  molecules  by  a  drop  of  this  liquid  (which  is  philic  to  both  the  NP  and  the  polymer  layer).  The  liquid  molecules  imbibe  and  diffuse  inside  the  polymer  layer,  but  the  NP  remains  localized  within  the  polymer  layer,  due  to  large  Steric  effects,  ensuring  the  establishment  of  highly  stable  numerous  direct  contacts  between  the  NP  and  the  highly  phobic  polymer  molecules.  Finally,  I  argue  that  our  finding  will  open  up  avenues  for  leveraging  NP-polymer  interactions  for  a  myriad  of  applications  even  for  cases  where  the  polymer  molecules  are  phobic  to  the  NPs.In  Chapter  4,  I  study  the  interaction  of  a  binary  mixture  drop,  containing  two-miscible-liquids,  with  a  polymer  functionalized  nanochannel  that  is  philic  to  one  of  the  liquids  and  phobic  to  the  other.  Liquid-liquid  phase  separation  is  achieved  due  to  the  asymmetry  of  interaction  of  the  liquid  species  and  we  observe  distillation  like  behavior  wherein  the  drop  becomes  progressively  concentrated  with  the  phobic  liquid  with  each  '"pass"  with  the  polymer  bilayer  absorbing  an  increasing  fraction  of  the  philic  liquid  molecules  and  transitioning  into  the  polymer  brush  regime.  Depending  on  the  nanochannel  height,  the  number  of  allowed  passes  varies,  as  the  polymer  chains  stretch  out  until  the  oppositely  grafted  layers  overlap  and  create  a  dense  region  of  liquid  infused  polymer  layers  that  act  as  a  valve.  Any  further  passage  of  drops  through  this  nano-confined  interpenetrating  brush  bilayer  requires  a  much  greater  magnitude  of  applied  force  on  the  drop.  I  finally  propose  a  design  of  nanovalves  based  on  this  mechanism  of  creating  partially  porous  interpenetrating  polymer  brush  layers.
■590    ▼aSchool  code:  0117.
■650  4▼aMolecular  physics.
■650  4▼aMechanical  engineering.
■650  4▼aNanotechnology.
■650  4▼aFluid  mechanics.
■653    ▼aInterfacial  fluid  mechanics
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■653    ▼aSoft  matter  physics
■690    ▼a0609
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■690    ▼a0204
■71020▼aUniversity  of  Maryland,  College  Park▼bMechanical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g84-12B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0117
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16931720▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024