Baeurle, Stephan Alexander
(2008)
Multiscale Modeling of Polymer Materials using Field-Theoretic Methodologies.
Habilitation, Universität Regensburg.
Date of publication of this fulltext: 11 Jul 2008 16:28
Abstract (English)
Understanding the chemistry and physics of polymer systems challenges
scientists from a wide spectrum of research areas, ranging from polymer
science to molecular electronic structure theory. One of the characteristic
features of polymer systems is that their physics involve a multitude
of different length and time scales, which generally render the determination
of their structure and physical ...
Abstract (English)
Understanding the chemistry and physics of polymer systems challenges
scientists from a wide spectrum of research areas, ranging from polymer
science to molecular electronic structure theory. One of the characteristic
features of polymer systems is that their physics involve a multitude
of different length and time scales, which generally render the determination
of their structure and physical properties on a detailed level computationally
exhaustive. To overcome this difficulty, novel field-theoretic methodologies
based on the mean field approximation have emerged recently and have proven
to deliver useful results in the calculation of mesoscopic polymer models in
the regime of high monomer concentrations.
In this habilitation thesis, we demonstrate that the field-theoretic approach
is not only an useful formalism for treating highly concentrated polymer
systems on the mesoscopic level of description, but that it is also a promising
theoretical tool, to solve the multiscale problems arising in the calculation
of physical properties of a wide variety of neutral and charged polymer
materials. To this end, we show that the field-theoretic approach possesses
the advantageous property to enable the treatment of all levels of
description, spanning from the quantum to the continuum scale, within an
unified theoretical framework. On the example of the coupling of the
mesoscopic and continuum scale, we show that this specific feature
constitutes a crucial advantage of field-theoretic approaches with regard
to current state-of-the-art particle-based simulation methodologies for
connecting different levels of description. Another major benefit relates
to their favorable approximation characteristics, which permit to devise
efficient approximation strategies for evaluating sophisticated polymer
solution models in the low to moderate regime of monomer concentrations
in a reliable way. To show this, we present novel low-cost approximation
strategies beyond the mean field level of approximation using effective
renormalization concepts, originating from the domain of quantum field
theory, and demonstrate their usefulness in the calculation of structure
and physical properties of several polymer models, described at various
levels of description.
Translation of the abstract (German)
Das Verständnis der Chemie und Physik von Polymer-Systemen ist eine
große Herausforderung für Wissenschaftler aus einem breiten Spektrum an
Forschungsgebieten, welches sich von der Polymer-Wissenschaft zur
Elektronen-Struktur-Theorie erstreckt. Ein Charakteristikum von Polymer-Systemen
ist, dass ihre Physik durch eine Vielzahl an verschiedenen Längen- und
Zeitskalen beeinträchtigt wird, was ...
Translation of the abstract (German)
Das Verständnis der Chemie und Physik von Polymer-Systemen ist eine
große Herausforderung für Wissenschaftler aus einem breiten Spektrum an
Forschungsgebieten, welches sich von der Polymer-Wissenschaft zur
Elektronen-Struktur-Theorie erstreckt. Ein Charakteristikum von Polymer-Systemen
ist, dass ihre Physik durch eine Vielzahl an verschiedenen Längen- und
Zeitskalen beeinträchtigt wird, was eine genaue Bestimmung ihrer Struktur
und physikalischen Eigenschaften in der Berechnung sehr teuer macht. Um diese
Schwierigkeit zu überwinden, sind kürzlich neue feld-theoretische Methoden auf
Basis der Mittlere-Feld-Näherung aufgekommen, welche sich bei der Berechnung
mesoskopischer Polymer-Modelle bei höheren Monomer-Konzentrationen als nützlich
erwiesen haben.
In der hier vorgestellten Habilitationsarbeit wird gezeigt, dass der
feld-theoretische Formalismus nicht nur zur Behandlung von hoch-konzentrierten
Polymer-Systemen auf der mesoskopischer Beschreibungsebene sich eignet, sondern
auch eine vielversprechende theoretische Herangehensweise zur Lösung von
Mehrskalen-Problemen, die in der Berechnung physikalischer Eigenschaften von
neutralen und geladenen Polymer-Materialien auftreten, ist. Zu diesem Zweck
wird demonstriert, dass der feld-theoretische Formalismus die vorteilhafte
Eigenschaft, die Behandlung von Polymer-Systemen auf allen Beschreibungsebenen,
d.h. von der Kontinuums- zur Quanten-Skala, in einem einheitlichen Formalismus
zu beschreiben, besitzt. Am Beispiel der Kopplung der mesoskopischen Skala mit
der Kontinuums-Skala, wird verdeutlicht, dass diese Eigenschaft einen
entscheidenden Vorteil feld-theoretischer Methoden gegenüber Simulationsmethoden
in der herkömmlichen Teilchenbeschreibung zur Verknüpfung verschiedener
Beschreibungsebenen darstellt. Ein anderer wichtiger Pluspunkt sind die
günstigen Näherungseigenschaften der resultierenden Funktional-Integrale,
welche es ermöglichen effektive Näherungsverfahren zur zuverlässigen
Untersuchung komplexer Polymer-Systeme im niederen bis moderaten
Konzentrationsbereich der Monomere zu entwickeln. Um dies zu verdeutlichen,
werdem neue kostengünstige Näherungsverfahren vorgestellt, welche über
die Genauigkeit der Mittlere-Feld-Näherung hinausgehen. Sie beruhen auf
effektiven Renormierungskonzepten, welche ursprünglich in der
Quanten-Feld-Theorie entwickelt wurden. Ihre Brauchbarkeit zur Berechnung
der Struktur und physikalischen Eigenschaften diverser Polymer-Modell-Systeme
auf verschiedenen Beschreibungsebenen wird in dieser Arbeit aufgezeigt.
Export bibliographical data
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (Habilitation) |
|---|
| Date: | 10 July 2008 |
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| Referee: | Bernhard (Prof. Dr.) Dick |
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| Date of exam: | 2 July 2008 |
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| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry III - Physical Chemistry (Molecular Spectroscopy and Photochemistry) > Prof. Dr. Bernhard Dick |
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| Classification: | | Notation | Type |
|---|
| 61.25.Hq | PACS | | 62.25.+g | PACS | | 61.41.+e | PACS | | 05.10.Ln | PACS | | 05.10.-a | PACS |
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|---|
| Keywords: | Computersimulation , Hierarchische Simulation , Monte-Carlo-Simulation , Thermoelast , Polymeres Netzwerk , Polymerlösung, Physikalische Eigenschaft , Polymer-Feld-Theorien, Mehrskalen-Modellierung, Polymere, Näherungsverfahren, Fluktuationen , Polymer field theories, multiscale modeling, polymers, beyond mean field approximations, fluctuations |
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| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
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| Status: | Published |
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| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
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| Created at the University of Regensburg: | Yes |
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| Item ID: | 10764 |
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