Multiscale modeling of metal-organic framework/polymer composites

Modélisation multi-échelle des composites réseau métallo-organique/polymère Dans cette contribution, des champs de force à gros grains (CG) ont été développés pour le ZIF-8, le ZIF-8/N2, le ZIF-8/PVDF, le ZIF-8/PVDF/CO2, le ZIF-8/PVDF/CH4, ZIF- 8/PVDF/N2, ZIF-8/PVDF/CO2/CH4, ZIF-8/PVDF/CO2/N2. L'enquête a commencé avec le développement de champs de force issus de différentes stratégies pour le ZIF-8. Ces champs de force ont été donnés par une somme de potentiels non liés et liés (liaison et angle uniquement) et les potentiels composant chacun d'eux proviennent exclusivement de MARTINI, de force (FM) ou de l'inversion itérative de Boltzmann (IBI). Trois résolutions CG différentes pour l'étude de ZIF-8 ont été considérées. L'idée était de réaliser une analyse de la manière dont les champs de force MARTINI, FM et IBI se comportent dans la reproduction de la structure, du coefficient de dilatation volumique et du tenseur élastique. Plus précisément, les champs de force FM et MARTINI ont également été développés pour le ZIF-8/N2, pour évaluer s'ils pouvaient reproduire une transition structurelle subtile que subit le ZIF-8 lorsqu'il est chargé de gaz. Au final, cette étude a permis d'appréhender les défis, les limites et les avantages associés à chaque stratégie d'ajustement potentielle et a guidé le développement de champs de force CG pour l'étude de ZIF-8/PVDF et ZIF-8/PVDF avec du gaz Dans ces cas, l’objectif était d’étudier le système au niveau des nanoparticules, afin de mieux comprendre l’influence de la taille et de la forme des nanoparticules sur la structuration du polymère et du gaz (lorsqu’ils sont chargés). Tous les champs de force étaient capables de bien reproduire la structure, IBI excellant naturellement. MARTINI a révélé des limites concernant le plus faible degré de gros grain. Le coefficient de dilatation volumique était parfois (et parfois pas) bien reproduit par les différents modèles développés pour les différentes résolutions. Une discussion détaillée et perspicace sur la façon de prédire globalement les performances de MARTINI dans la reproduction du coefficient de dilatation volumique est présentée. De bons résultats en tenseur élastique ont été obtenus avec tous les modèles, mais MARTINI a tendance à avoir de meilleurs résultats que les autres. IBI a accusé une valeur négative du C44, ce qui a finalement conduit à une conclusion très intéressante sur ses performances pour les solides non moléculaires. Enfin, FM a permis de décrire la transition de phase subtile, contrairement au champ de force MARTINI. Une discussion sur ces perspectives de pointage a été menée.Lors de l'étude du ZIF-8/PVDF vide, il a été possible de constater que la pénétration s'étend très profondément, mais pas à des valeurs de densité locales élevées. Une comparaison plus approfondie avec les résultats d'une interface CG a révélé que le problème de représentation de la pénétration est davantage lié à l'échelle de la simulation qu'à la résolution, étant donné que très peu de polymères sont entrés dans le MOF au niveau de l'interface. Les résultats accusent que le polymère pénètre davantage autour des sommets. La nanoparticule RD semble plus sujette à la pénétration, et sa taille plus petite l'améliore également. Dans toutes les morphologies et tailles, il a été observé que ZIF-8 provoquait un changement de conformation du polymère dans la région de chevauchement.Enfin, l’étude de la structure chargée au niveau des nanoparticules a permis de mieux comprendre les interactions entre gaz et hôte par ceux qui chérissent une empreinte digitale de la structure HP. Il a été possible de constater que la quantité de CO2 est adsorbée plus que tous les autres gaz, avec une tendance beaucoup plus élevée que les autres à être adsorbée à l’intérieur du MOF. Les résultats suggèrent que le CO2 peut entrer en compétition avec le N2 et le CH4 à l'intérieur de la région des nanoparticules sous une charge de gaz binaire, provoquant l'expulsion de ces deux autres gaz vers la phase polymère.