Origin of particle clustering in a simulated polymer nanocomposite and its impact on rheology

Journal of Chemical Physics

Volumn 119, Issue 3, 2003, Pages 1777-1788

  Starr, Francis W ^a,c   Douglas, Jack F ^a   Glotzer, Sharon C ^b  

^a NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY   (United States)

^b UNIVERSITY OF MICHIGAN   (United States)

^c WESLEYAN UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

COMPUTER SIMULATION; LOW TEMPERATURE EFFECTS; MOLECULAR DYNAMICS; ORGANIC POLYMERS; PARTICLE SIZE ANALYSIS; PHASE SEPARATION; POLYMERIZATION; RHEOLOGY;

CLUSTERED STATES;

NANOSTRUCTURED MATERIALS;

EID: 0042266275     PISSN: 00219606     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.1580099     Document Type: Review

References (66)

1. G. Wypych, Handbook of Fillers (ChemTec, Toronto, 1999).
2. M. C. Roco, S. Williams, and P. Alivisatos, in, Nanotechnology Research Directions: IWGN Workshop Report Vision for Nanotechnology in the Next Decade (Kluwer Academic, Dordrecht, 2000).
3. R. A. Vaia and E. P. Giannelis, MRS Bull. 26, 394 (2001).
4. J. N. Israelachvili, Intermodular and Surface Forces (Academic, New York, 1992).
5. O. W. Webster, Science 25, 887 (1991).
6. Q. Ying, J. Maracek, and B. Chu, J. Chem. Phys. 101, 2665 (1994); T. Rudalevige, A. H. Francis, and R. Zand, J. Phys. Chem. A 102, 9797 (1998); S. Nath, H. Pal, D. K. Palit, A. V. Sapre, and J. P. Mittal, J. Phys. Chem. B 102, 10158 102 (1998).
7. Q. Ying, J. Maracek, and B. Chu, J. Chem. Phys. 101, 2665 (1994); T. Rudalevige, A. H. Francis, and R. Zand, J. Phys. Chem. A 102, 9797 (1998); S. Nath, H. Pal, D. K. Palit, A. V. Sapre, and J. P. Mittal, J. Phys. Chem. B 102, 10158 102 (1998).
8. Q. Ying, J. Maracek, and B. Chu, J. Chem. Phys. 101, 2665 (1994); T. Rudalevige, A. H. Francis, and R. Zand, J. Phys. Chem. A 102, 9797 (1998); S. Nath, H. Pal, D. K. Palit, A. V. Sapre, and J. P. Mittal, J. Phys. Chem. B 102, 10158 102 (1998).
9. M. Djikstra, J. P. Hansen, and P. A. Madden, Phys. Rev. Lett. 75, 2236 (1995); T. A. Witten, J. Phys. (Paris) 49, 1055 (1988); C. E. Iona, T. Aberle, and W. Burchard, Macromolecules 34, 326 (2001).
10. M. Djikstra, J. P. Hansen, and P. A. Madden, Phys. Rev. Lett. 75, 2236 (1995); T. A. Witten, J. Phys. (Paris) 49, 1055 (1988); C. E. Iona, T. Aberle, and W. Burchard, Macromolecules 34, 326 (2001).
11. M. Djikstra, J. P. Hansen, and P. A. Madden, Phys. Rev. Lett. 75, 2236 (1995); T. A. Witten, J. Phys. (Paris) 49, 1055 (1988); C. E. Iona, T. Aberle, and W. Burchard, Macromolecules 34, 326 (2001).
12. R. G. Larson, Chem. Eng. Sci. 49, 2833 (1994).
13. F. W. Starr, T. B. Schrøder, and S. C. Glotzer, Phys. Rev. E 64, 021802 (2001); Macromolecules 35, 4481 (2002).
14. F. W. Starr, T. B. Schrøder, and S. C. Glotzer, Phys. Rev. E 64, 021802 (2001); Macromolecules 35, 4481 (2002).
15. M. Vacatello, Macromolecules 34, 1946 (2001).
16. G. D. Smith, D. Bedrov, L. Li, and O. Byutner, J. Chem. Phys. 117, 9478 (2002).
17. D. Brown, P. Mélé, S. Marceau, and N. D. Albérola, Macromolecules 36, 1395 (2003).
18. D. Gersappe, Phys. Rev. Lett. 89, 058301 (2002).
19. V. V. Ginzburg, C. Singh, and A. C. Balazs, Macromolecules 33, 1089 (2000).
20. M. H. J. Hagen, E. J. Meijer, G. C. A. M. Mooij, D. Frenkel, and H. N. W. Lekkerkerker, Nature (London) 365, 425 (1993).
21. V. J. Anderson and H. N. W. Lekkerkerker, Nature (London) 416, 811 (2002); H. N. W. Lekkerkerker, Physica A 244, 227 (1997).
22. V. J. Anderson and H. N. W. Lekkerkerker, Nature (London) 416, 811 (2002); H. N. W. Lekkerkerker, Physica A 244, 227 (1997).
23. J. Dudowicz, K. F. Freed, and J. F. Douglas, J. Chem. Phys. 111, 7116 (1999); 112, 1002 (2000).
24. J. Dudowicz, K. F. Freed, and J. F. Douglas, J. Chem. Phys. 111, 7116 (1999); 112, 1002 (2000).
25. R. B. Bird, C. F. Curtiss, R. C. Armstrong, and O. Hassager, Dynamics of Polymeric Liquids: Kinetic Theory, Vol. 2 (Wiley, New York, 1987).
26. G. S. Grest and K. Kremer, Phys. Rev. A 33, 3628 (1986).
27. J. W. Rudisill and P. T. Cummings, Rheol. Acta 30, 33 (1991).
28. J.-C. Donnet, R. C. Bansal, and M.-J. Wang, Eds., Carbon Black: Science and Technology (Marcel Dekker, New York, 1993).
29. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
30. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
31. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
32. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
33. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
34. G. Carrot, J. C. Valmalette, C. J. G. Plummer, S. M. Scholz, J. Dutta, H. Hofmann, and J. G. Hilborn. Colloid Polym. Sci. 276, 853 (1998); D. H. Cole, K. R. Shull, P. Baldo, and L. Rehn, Macromolecules 32, 771 (1999); F. Carusoa and H. Mohwald, Langmuir 15, 8276 (1999); K. V. Sarathy, K. S. Narayan, J. Kim, and J. O. White, Chem. Phys. Lett. 318, 543 (2000); D. I. Gittins and F. Caruso, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 1947 (2000); K. J. Watson, J. Zhu, S. T. Nguyen, and C. A. Mirkin, Pure Appl. Chem. 72, 67 (2000).
35. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
36. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
37. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
38. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
39. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
40. K. A. Barnes, A. Karim, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, H. Gruell, and E. J Amis, Macromolecules 33, 4177 (2000); B. McCarthy, J. N. Coleman, S. A. Curran, A. B. Dalton, A. P. Davey, Z. Konya, A. Fonseca, J. B. Nagy, and W. J. Blau, J. Mater. Sci. Lett. 19, 2239 (2000); Y. Okumura, K. Ito, R. Hayakawa, and T. Nishi, Langmuir 16, 10278 (2000); V. Lordi and N. Yao, J. Mater. Res. 15, 2770 (2000); R. M. Ajayan, L. S. Schadler, C. Giannaris, and A. Rubio, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 12, 750 (2000); D. Qian, E. C. Dickey, R. Andrews, and T. Rantell, Appl. Phys. Lett. 76, 2868 (2000).
41. A. Karim, D. W. Liu, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, and E. J. Amis, Polymer 41, 8455 (2000); A. I. Nakatani, W. Chen, R. G. Schmidt, G. V. Gordon, and C. C. Han, ibid. 32, 3713 (2001); C. Roberts, T. Cosgrove, R. G. Schmidt, and G. V. Gordon, Macromolecules 34, 538 (2001).
42. A. Karim, D. W. Liu, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, and E. J. Amis, Polymer 41, 8455 (2000); A. I. Nakatani, W. Chen, R. G. Schmidt, G. V. Gordon, and C. C. Han, ibid. 32, 3713 (2001); C. Roberts, T. Cosgrove, R. G. Schmidt, and G. V. Gordon, Macromolecules 34, 538 (2001).
43. A. Karim, D. W. Liu, J. F. Douglas, A. I. Nakatani, and E. J. Amis, Polymer 41, 8455 (2000); A. I. Nakatani, W. Chen, R. G. Schmidt, G. V. Gordon, and C. C. Han, ibid. 32, 3713 (2001); C. Roberts, T. Cosgrove, R. G. Schmidt, and G. V. Gordon, Macromolecules 34, 538 (2001).
44. F. J. Feher, D. Soulivong, A. G. Eklund, and K. D. Wyndham, Chem. Commun. (Cambridge) 13, 1185 (1997); J. J. Schwab and J. D. Lichtenhan, Appl. Organomet. Chem. 12, 707 (1998).
45. F. J. Feher, D. Soulivong, A. G. Eklund, and K. D. Wyndham, Chem. Commun. (Cambridge) 13, 1185 (1997); J. J. Schwab and J. D. Lichtenhan, Appl. Organomet. Chem. 12, 707 (1998).
46. M. Tuckerman, B. J. Berne, and G. J. Martyna, J. Chem. Phys. 97, 1990 (1992).
47. M. P. Allen and D. J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids (Oxford University Press, Oxford, 1987).
48. D. Di Tolla and M. Ronchetti, Phys. Rev, E 48, 1726 (1993).
49. S. T. Cui, P. T. Cummings, and H. D. Cochran, J. Chem. Phys. 104, 255 (1996).
50. Z. Xu, J. J. de Pablo, and S. Kim, J. Chem. Phys. 102, 5836 (1995).
51. H. Jónsson and H. C. Andersen, Phys. Rev. Lett. 60, 2295 (1988); F. Sciortino, A. Geiger, and H. E. Stanley, ibid. 96, 3857 (1992); C. Donati, S. C Glotzer, P. H. Poole, W. Kob, and S. J. Plimpton, Phys. Rev. E 60, 3107 (1999).
52. H. Jónsson and H. C. Andersen, Phys. Rev. Lett. 60, 2295 (1988); F. Sciortino, A. Geiger, and H. E. Stanley, ibid. 96, 3857 (1992); C. Donati, S. C Glotzer, P. H. Poole, W. Kob, and S. J. Plimpton, Phys. Rev. E 60, 3107 (1999).
53. H. Jónsson and H. C. Andersen, Phys. Rev. Lett. 60, 2295 (1988); F. Sciortino, A. Geiger, and H. E. Stanley, ibid. 96, 3857 (1992); C. Donati, S. C Glotzer, P. H. Poole, W. Kob, and S. J. Plimpton, Phys. Rev. E 60, 3107 (1999).
54. K. Binder, Rep. Prog. Phys. 50, 783 (1987).
55. P. Meakin, Phase Transitions 12, 336 (1988).
56. P. I. C. Teixeira, J. M. Tavares, and M. M. Telo da Gama, J. Phys.: Condens. Matter 12, R411 (2000).
57. S. C. Greer, Annu. Rev. Phys. Chem. 53, 173 (2002).
58. H. E. Stanley, Introduction to Phase Transitions and Critical Phenomena (Oxford University Press, Oxford, 1971).
59. D. Jacobs (unpublished); Kh. S. Abdulkadirova, A. Kostrowicka Wyczalkowska, M. A. Anisimov, and J. V. Sengers, J. Chem. Phys. 116, 4597 (2002).
60. D. Jacobs (unpublished); Kh. S. Abdulkadirova, A. Kostrowicka Wyczalkowska, M. A. Anisimov, and J. V. Sengers, J. Chem. Phys. 116, 4597 (2002).
61. A. Kostrowicka Wyczalkowska, Kh. S. Abdulkadirova, M. A. Anisimov, and J. V. Sengers, J. Chem. Phys. 113, 4985 (2000).
62. J. Bicerano, J. F. Douglas, and D. A. Brune, Rev. Macromol. Chem. Phys. C39, 561 (1999).
63. F. W. Starr, R. A. Vaia, and B. L. Farmer (unpublished).
64. C. R. Berland et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, 1214 (1992).
65. A. Lomakin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96. 9465 (1999).
66. A. Sinsawat, K. Anderson, R. A. Vaia, and B. L. Farmer (preprint).