Advanced

Simulations of polymer solutions displaying a lower critical solution temperature

Larsson, Sandra LU (2018) KEML08 20181
Department of Chemistry
Abstract
Thermoresponsive polymers with a lower critical solution temperature, LCST, have attracted interest in the development of new ``smart materials'', which change properties in response to external stimuli. Polymers with an LCST near physiological temperatures are especially relevant in biomedical applications, most notably perhaps in drug delivery systems.

The aim of this work is to investigate polymer solutions with an LCST using a coarse-grained model where the monomers of the polymer chains exist in one of two states; one solvophilic and one solvophobic state, where the degeneracy of the solvophobic state is higher than that of the solvophilic. Metropolis Monte Carlo simulations were performed on both single-chain and multiple-chain... (More)
Thermoresponsive polymers with a lower critical solution temperature, LCST, have attracted interest in the development of new ``smart materials'', which change properties in response to external stimuli. Polymers with an LCST near physiological temperatures are especially relevant in biomedical applications, most notably perhaps in drug delivery systems.

The aim of this work is to investigate polymer solutions with an LCST using a coarse-grained model where the monomers of the polymer chains exist in one of two states; one solvophilic and one solvophobic state, where the degeneracy of the solvophobic state is higher than that of the solvophilic. Metropolis Monte Carlo simulations were performed on both single-chain and multiple-chain systems, and on chain lengths varying between 20 and 400 monomers. Simulations on single-chain systems showed a collapse for chains with 40 or more monomers, while the investigated multiple-chain systems of all chain lengths aggregated. Due to fluctuations in the temperature at which the collapse occurred, as well as inconsistencies between simulations performed by decreasing and increasing the temperature, further investigations are needed to determine the limitations of the model and its usefulness in describing polymer solution behaviour. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Polymerer är långa kedjor av upprepade segment och finns både som naturliga polymerer (proteiner, DNA, gummi, och cellulosa) och som syntetiskt framställda polymerer (plaster, nylon, etc.). Många polymerer är känsliga för ändringar i deras miljö och termoresponsiva polymerer, som har studerats i detta arbete, ändrar egenskaper drastiskt vid ändringar i temperaturen. Vid en viss kritisk temperatur, som är specifik för den enskilda polymeren, går dessa polymerer från att vara utsträckta kedjor, lösliga i medlet de befinner sig i, till att kollapsa och bilda tätpackade kluster som kan fällas ut från lösningen.

Termoresponsiva polymerer är intressanta att studera på grund av deras applikationer som "smarta material". De kan till exempel... (More)
Polymerer är långa kedjor av upprepade segment och finns både som naturliga polymerer (proteiner, DNA, gummi, och cellulosa) och som syntetiskt framställda polymerer (plaster, nylon, etc.). Många polymerer är känsliga för ändringar i deras miljö och termoresponsiva polymerer, som har studerats i detta arbete, ändrar egenskaper drastiskt vid ändringar i temperaturen. Vid en viss kritisk temperatur, som är specifik för den enskilda polymeren, går dessa polymerer från att vara utsträckta kedjor, lösliga i medlet de befinner sig i, till att kollapsa och bilda tätpackade kluster som kan fällas ut från lösningen.

Termoresponsiva polymerer är intressanta att studera på grund av deras applikationer som "smarta material". De kan till exempel användas inom transportsystem för läkemedel som en del av läkemedelskapseln, då de skulle kunna reagera på temperaturen i omgivningen för att veta när kapseln har kommit rätt och frisätta läkemedlet på en lämplig plats i kroppen.

Datorsimuleringar med dessa typer av polymerer kan ge en större inblick i hur och varför polymererna kollapsar, samt hur olika egenskaper av polymeren och hur yttre faktorer påverkar temperaturen polymererna kollapsar vid. Simuleringar av större polymersystem, med många och långa kedjor är mycket tidskrävande och det är därför önskvärt att kunna beskriva polymerernas beteenden vid olika temperaturer med en enklare modell. I detta arbete har därför en enklare modell användts för att studera polymerlösningar. Både enstaka polymerer och större system med flera polymerkedjor har studerats och det har undersökts om det går att se en direkt koppling mellan kollapsen av en kedja och aggregeringen av ett helt system till ett hoppackat kluster. Simuleringarna har visat att modellen kan beskriva den plötsliga kollaps av polymerer som sker vid en viss temperatur både för enstaka polymerer och för flera polymerer. Det fanns dock en variation i när denna kollaps skedde för båda systemen och därför kunde inte en specifik temperatur för aggregeringen bestämmas. Det fanns även stora skillnader i förhållandena vid vilka en kollaps kunde ses för simuleringar där temperaturen ökades jämfört med sänktes. Detta är något som hade behövt undersökas nogrannare för att ta reda på modellens begränsningar i att beskriva det undersökta fenomenet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Larsson, Sandra LU
supervisor
organization
course
KEML08 20181
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Monte Carlo simulations, polymer solutions, lower critical solution temperature, thermoresponsive polymers, LCST, theoretical chemistry, teoretisk kemi
language
English
id
8957192
date added to LUP
2018-09-12 11:24:01
date last changed
2018-09-12 11:24:01
@misc{8957192,
  abstract     = {Thermoresponsive polymers with a lower critical solution temperature, LCST, have attracted interest in the development of new ``smart materials'', which change properties in response to external stimuli. Polymers with an LCST near physiological temperatures are especially relevant in biomedical applications, most notably perhaps in drug delivery systems.

The aim of this work is to investigate polymer solutions with an LCST using a coarse-grained model where the monomers of the polymer chains exist in one of two states; one solvophilic and one solvophobic state, where the degeneracy of the solvophobic state is higher than that of the solvophilic. Metropolis Monte Carlo simulations were performed on both single-chain and multiple-chain systems, and on chain lengths varying between 20 and 400 monomers. Simulations on single-chain systems showed a collapse for chains with 40 or more monomers, while the investigated multiple-chain systems of all chain lengths aggregated. Due to fluctuations in the temperature at which the collapse occurred, as well as inconsistencies between simulations performed by decreasing and increasing the temperature, further investigations are needed to determine the limitations of the model and its usefulness in describing polymer solution behaviour.},
  author       = {Larsson, Sandra},
  keyword      = {Monte Carlo simulations,polymer solutions,lower critical solution temperature,thermoresponsive polymers,LCST,theoretical chemistry,teoretisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Simulations of polymer solutions displaying a lower critical solution temperature},
  year         = {2018},
}