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Abstract

This thesis addresses the development of generic, particle-based models for hierarchically structured polymeric soft matter, in which the macroscopic structure is linked to microscopic, molecular properties. The models are developed in a top-down approach, tailored to reproduce macroscopic properties of the real system, such as the general phase behavior. Methodologically, the models are derived from effective functionals (Hamiltonians) that depend on local scalar and tensorial order parameters, capturing liquid crystalline (LC) phases. The elastic properties of nematic LC polymer melts are studied. As one of the main results, a linear scaling of the splay Frank elastic constant with the chain length is found in the simulations, providing evidence for resolving a disagreement of existing theoretical predictions. Subsequently, a model is developed describing the large-scale morphology of polymeric semiconductors, as a test case for poly(3-hexylthiophene) (P3HT). The modeling of the lamellar, semi-crystalline morphology of real P3HT is, in a first step, developed for the less ordered LC phase. The non-bonded model interactions are soft and anisotropic, with additional biaxial symmetry capturing generically the anisotropy of the molecular architecture and the π-stacking interactions. Macroscopic features of the real material, such as the dependence of the isotropic-nematic transition on the chain length, are reproduced. The morphologies are analyzed with respect to charge transport related properties. In the last part of the thesis, a multiscale scheme for the reconstruction of atomistic detail is presented.

Übersetzung des Abstracts (Deutsch)

In dieser Arbeit werden generische, teilchenbasierte Modelle für die Beschreibung von hierarchisch geordneter, polymerischer weicher Materie entwickelt, deren makroskopische Struktur mit mikroskopischen, molekularen Eigenschaften verknüpft ist. Dazu wird ein Top-down-Ansatz verwendet, um makroskopische Eigenschaften wie beispielsweise das generelle Phasenverhalten zu reproduzieren. Methodisch werden die Modelle ausgehend von effektiven Funktionalen (Hamiltonfunktion) entwickelt, die von lokalen skalaren und tensoriellen Ordnungsparametern abhängen, um flüssigkristalline (FK) Phasen zu beschreiben. Elastische Eigenschaften von nematischen FK Polymerschmelzen werden untersucht. Als eines der Hauptresultate wird in der Simulation eine lineare Abhängigkeit der Frank elastischen Spreizkonstante von der Kettenlänge gemessen, was die Auflösung eines Widerspruchs in bestehenden theoretischen Vorhersagen nahelegt. Des Weiteren wird ein Modell zur Beschreibung der Morphologie von polymerischen Halbleitern auf großer Längenskala am Beispiel desMoleküls Poly(3-Hexylthiophen (P3HT) entwickelt. Die Modellierung der lamellaren, teilkristallinen Morphologie von realem P3HT wird im ersten Schritt für die weniger geordnete FK Phase entwickelt. Die nicht-gebundenen Modellwechselwirkungen sind weich und anisotropisch, wobei zusätzliche biaxiale Symmetrie die lokale Molekülarchitektur und die π-Wechselwirkungen generisch beschreibt. Makroskopische Materialeigenschaften, z.B. die Abhängigkeit des isotrop-nematischen Übergangs von der Kettenlänge, werden reproduziert. Die Morphologien werden in Hinblick auf Landungstransporteigenschaften untersucht. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Multiskalenansatz zur Wiedereinführung von atomistischen Details entwickelt.