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Résumé:

Les nanocomposites de polymères, systèmes de polymères contenant des nanoparticules (NP), sont des systèmes fascinants qui ont de nombreuses applications en science des matériaux, en biologie et en médecine, mais qui posent également des défis en physique théorique. L’un des problèmes fondamentaux de la physique des nanocomposites est de comprendre comment la structure et la dynamique du système dépendent de paramètres clés, tels que la taille et la fraction volumique des NP et la taille typique du maillage polymère. Dans cette thèse, nous utilisons des simulations de dynamique moléculaire pour étudier les propriétés structurelles et dynamiques des NP incorporées dans des nanocomposites de polymères liquides et solides. Nous observons que lorsque des NP faiblement attractives et bien dispersées sont ajoutées à une solution de polymères dense, les polymères et les NP subissent un ralentissement dynamique. Nous trouvons que, en accord qualitatif avec les expériences, ce ralentissement dynamique est capturé par un paramètre de confinement sous la forme h/λ, où h est la distance moyenne entre les surfaces des NP voisines (interparticle distance). Nous pouvons montrer que pour les NP, λ peut être interprété comme le rayon hydrodynamique des NP, alors que pour les polymères il se comporte comme une échelle de longueur de coopérativité. En simulant des réseaux de polymères polydispersés désordonnés contenant des NP purement répulsives, nous constatons que les petites NP peuvent diffuser librement à travers le maillage d’enchevêtrement, tandis que les grosses NP sont piégées de façon transitoire et ne peuvent se déplacer que par une séquence de “sauts” (mouvement de hopping). Nous constatons que le paramètre contrôlant la localisation des NP est le rapport entre le diamètre des NP et la longueur de localisation des crosslinks. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode pour caractériser le maillage géométrique dans les liquides de polymères, une quantité importante pour décrire la diffusion des NP dans un milieu désordonné.